Course Syllabus
Obiettivi
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Conoscenza e capacità di comprensione (DnD 1).
Il corso si propone di insegnare i principi fisici alla base delle proprietà elettroniche, ottiche e di luminescenza dei semiconduttori molecolari. -
Conoscenza e capacità di comprensione applicate. (DnD 2).
Le conoscenze apprese verranno applicate alle molecole singole, cristalli molecolari,
sistemi solidi disordinati, polimeri coniugati e sistemi ibridi, e il loro ruolo nella tecnologie dei dispostivi basati su materiali coniugati. -
Autonomia di giudizio (DnD 3).
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Abilità comunicative (DnD 4).
Ogni lezione comprende una parte di discussione aperta con il docente in modo da verificare e approfondire le conoscenze acquisite, la capacità critica di individuare le informazioni più cruciali. e la capacità di esporle e trasmetterle. -
Capacità di apprendere (DnD 5).
Gli articoli scientifici a complemento delle lezioni saranno discussi anche come esempio di ricerca in letteratura per proseguire/approfondire gli argomenti trattati.
Contenuti sintetici
Principali argomenti trattati nelle lezioni:
- Stati elettronici di molecole e polimeri policoniugati.
- Stati eccitati nei cristalli molecolari.
- Elettroluminescenza e dispositivi a LED.
- Celle fotovoltaiche organiche e laser.
- Applicazioni all’avanguardia dei materiali coniugati e ibridi in elettronica e fotonica.
Programma esteso
STATI ELETTRONICI DI MOLECOLE E POLIMERI POLICONIUGATI:
Modello dell’elettrone libero, modello di Hückel. Struttura a bande dei polimeri coniugati. Approssimazione monoelettronica: hamiltoniano di Su-Shrieffer-Heeger. Interazione elettrone-fonone e gap di Peierls. Solitoni, polaroni, bipolari. Correlazione elettronica: hamiltoniano di Hubbard.
PROPRIETÀ OTTICHE LINEARI:
Assorbimento ed emissione di molecole coniugate. Coefficienti di Einstein e formula di Strickler-Berg. Singoletti e tripletti. Calcolo degli spettri ottici con il metodo “tight binding”. Calcolo degli elementi di matrice di transizione. Regola di Kasha. Processi non radiativi. Tempi di vita. Efficienza quantica della fotoluminescenza e sua misura.
STATI ECCITATI NEI CRISTALLI MOLECOLARI:
Stati eccitati negli aggregati molecolari: classificazione degli eccitoni (Frenkel, a trasferimento di carica, Wannier). Delocalizzazione ed energia di legame: confronto tra materiali organici e inorganici. Calcolo dell’energia degli eccitoni. Scissione di Davydov. Meccanismi di generazione degli eccitoni. Mobilità degli eccitoni. Trasferimento di energia coerente e incoerente. Trasferimento di energia di Foerster e Dexter. Antenna fotonica.
ELETTROLUMINESCENZA E DISPOSITIVI LED:
Architettura di un dispositivo prototipo e diagramma dei livelli energetici. Iniezione e trasporto di carica. Generazione e ricombinazione degli eccitoni. Microcavità.
ELETTRONICA E FOTONICA MOLECOLARE:
Fisica e architettura dei diodi organici a emissione di luce (OLED). Raccolta della luce, separazione e trasporto di carica. Celle solari organiche e polimeriche e loro architettura, separazione di carica: donatori e accettori. Eterogiunzioni planari e “bulk”. Efficienza. Celle fotoelettrochimiche sensibilizzate con coloranti (Graetzel). Ottimizzazione della raccolta della luce solare: processi di “upconversion” e “downconversion”. Laser basati su semiconduttori organici. Principi e uso delle molecole organiche nelle tecniche di imaging a fluorescenza e di super-risoluzione. Macromolecole, biomolecole e supermolecole e il loro significato in fisica, chimica e biologia. Impiego delle molecole per fotoreazioni in biologia.
Prerequisiti
Questo corso richiede una buona conoscenza della fisica quantistica (equazioni di Schrödinger indipendente e dipendente dal tempo, teoria delle perturbazioni, regola d’oro di Fermi), della struttura della materia (atomi, molecole e solidi) e alcune conoscenze di base di chimica organica.
Modalità didattica
Lezione frontale in aula (30 lezioni) in modalità erogativa e interattiva.
Il docente fornirà in anticipo le slides che saranno al centro di ogni lezione e gli ariticoli scientifici a complemento ritenuti necessari.
In caso di richeiste di approfondimente, materiale addizionale sarà preparato e discusso dal docente.
Materiale didattico
- J. M. André et. al.," Quantum chemistry aided design of organic polymers"
- M. Pope C. E. Swenberg, "Electronic processes in organic crystals"
- Diversi articoli scientifici forniti dal docente come complemento alle lezioni.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L’esame orale è finalizzato a verificare la capacità degli studenti:
i) di modellare e discutere le proprietà delle molecole e dei materiali organici;
ii) di analizzare i processi ottici ed elettrici che avvengono in questa classe di materiali;
iii) di descrivere il funzionamento, le peculiarità e i limiti dei dispositivi elettronici e fotonici organici.
L’esame consisterà in una serie di domande riguardanti:
a) strettamente il programma del corso, per valutare le conoscenze acquisite sui concetti generali e sui tipi di materiali presentati (DnD 1, 2, 5);
b) domande più orientate all’interpretazione personale e alla proposta di possibili soluzioni relative ai dispositivi a base organica discussi durante le lezioni (DnD 3, 4).
Orario di ricevimento
Su appuntamento, inviare un email all'indirizzo del docente (angelo.monguzzi@unimib.it).
Sustainable Development Goals
Aims
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Knowledge and understanding (DnD 1).
The course aims at teching the physical principles at the base of the electronic, optical and luminescence properties of molecular semiconductors. -
Applying knowledge and understanding (DnD 2).
The knowledge acquired at point 1 will be applied to single molecules, molecular crystals, disordered solid system, conjugated polymers adn hybrid systems, and their role in the technology of devices based on conjugated materials. -
Making judgements (DnD 3).
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Communication skills (DnD 4).
Each lesson includes an open discussion with the lecturer to verify and deepen the acquired knowledge, the critical ability to identify the most crucial information, and the capacity to present and communicate it. -
Learning skills (DnD 5).
The scientific papers complementing the lectures will also be discussed as examples of research in the literature, to further explore and deepen the topics covered.
Contents
Main topics discussed in the lectures :
- ELECTRONIC STATES OF POLICONJUGATED MOLECULES AND POLYMERS.
- EXCITED STATES IN MOLECULAR CRYSTALS.
- ELECTROLUMINESCENCE AND LED DEVICES.
- ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELLS AND LASERS.
- STATE-OF-THE-ART CONJUGATED AND HYBRID APPLICATIONS IN ELECTRONICS AND PHOTONICS.
Detailed program
ELECTRONIC STATES OF POLICONJUGATED MOLECULES AND POLYMERS: Free-electron model, Hueckel’s model. Band structure of conjugated polymers. Monoelectronic approximation: Su-Shrieffer-Heeger hamiltonian. Electron-phonon interaction and Peierls’ gap. Solitons, polarons, bipolarons. Electronic correlation: Hubbard’s Hamiltonian.
LINEAR OPTICAL PROPERTIES: Absorption and emission of conjugated molecules. Einstein’s coefficients and Strickler-Berg’s formula. Singlets and triplets. Optical spectra calculation with the “tight binding” method. Calculation of transition matrix elements. Kasha’s rule. Non radiative processes. Lifetimes. Photoluminescence quantum efficiency and its measurement.
EXCITED STATES IN MOLECULAR CRYSTALS: Excited states in molecular aggregates: excitons classification (Frenkel, charge-transfer, Wannier). Delocalization and binding-energy: comparison between organic and inorganic materials. Calculation of the exciton energy. Davydov splitting. Exciton generation mechanisms. Exciton mobility. Coherent and incoherent energy transfer. Foerster’s and Dexter’s energy transfer. Photonics antenna.
ELECTROLUMINESCENCE AND LED DEVICES: Architecture of a prototype device and energetic levels diagram. Injection and charge transport. Exciton generation and recombination. Microcavities.
MOLECULAR ELECTRONICS AND PHOTONICS: Physics and architecture of organic light emitting diodes (OLEDs). Light harvesting, charge separation and transport. Organic and polymeric semiconductor cells and their architecture, charge separation: donors and acceptors. Planar and “bulk” heterojunction. Efficiency. Dye-sensitized solar cells based photo-electrochemical cells (Graetzel). Solar light harvesting optimization: “upconversion” and “downconversion” processes. Organic semiconductor-based lasers. Principles and use of organic molecules in fluorescence imaging techniques and super-resolution imaging. Macro-molecules, biomolecules and supermolecules and their meaning in physics, chemistry and biology. Employment of molecules for photoreactions in biology.
Prerequisites
This course requires a good knowledge of quantum physics (time-independent and time-dependent Schroedinger Equations, perturbation theory, Fermi golden rule), structure of matter (atoms, molecules and solids) and some basic knowledge of organic chemistry.
Teaching form
Lectures held in the classroom (30 lectures) through both delivery and interactive methods.
The lecturer will provide in advance the slides that will be the focus of each lesson, along with any scientific articles deemed necessary as complementary material.
In case of requests for further insights, additional material will be prepared and discussed by the lecturer.
Textbook and teaching resource
- J. M. André et. al.," Quantum chemistry aided design of organic polymers"
- M. Pope C. E. Swenberg, "Electronic processes in organic crystals"
- Several scientific papers supplied by the lecturer complementary to the lectures.
Semester
2nd SEMESTER.
Assessment method
Oral test is aimed to verify the capability of the students:
i) to model and discuss the properties of organic molecules and materials;
ii) to analyze the optical end electrical processes occurring in this class of materials;
iii) to describe the operation, peculiarities and limits of the electronic and photonic organic devices.
The test will consist in a series of questions regarding:
a) strictly the course program. to assess the acquired knowledge on the general concept and type of materials presented (DnD 1, 2, 5).
b) question more focused on personal interpretation and possible solution of the organic-based device discussed during the lectures. (DnD 3, 4).
Office hours
By appointment, please send an email directly at the lecturere address (angelo.monguzzi@unimib.it).
Sustainable Development Goals
Staff
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Angelo Maria Monguzzi
