Course Syllabus
Obiettivi
Il corso ha lo scopo di condurre gli studenti verso la comprensione dei concetti fondamentali in due ambiti principali della scienza dei materiali:
i) la spettroscopia ottica, ovvero lo studio della risposta dei materiali alla radiazione elettromagnetica, incluse le implicazioni per le applicazioni in fotonica, in optoelettronica e nelle comunicazioni in fibra ottica;
ii) la microscopia, di cui si investigheranno i principi fondamentali e le principali tecniche per lo studio dell'infinitesimamente piccolo attraverso metodi basati su interazione luce-materia, elettroni-materia, e con approcci a scansione di sonda.
Al termine del corso, lo studente avrà sviluppato una solida comprensione dei principi fondamentali che governano la propagazione della luce in diversi mezzi (conoscenza e comprensione), nonché dei fenomeni di interfaccia e di scala locale che costituiscono la base per lo studio e l'implementazione di tecniche sperimentali (applicazione di conoscenza e comprensione). Lo studente sarà in grado di valutare criticamente e selezionare i metodi spettroscopici e/o microscopici più appropriati per eseguire misure di base (autovalutazione), e sarà in grado di utilizzare un linguaggio scientifico preciso e rigoroso per comunicare efficacemente le conoscenze acquisite (capacità comunicative).
Sebbene l'enfasi principale sia posta sugli aspetti fisici, il corso promuove lo sviluppo di competenze interdisciplinari, direttamente connesse ad altre aree scientifiche, tra cui, ad esempio, la biofisica e i biomateriali. Durante il corso, gli studenti sono tenuti a svolgere un ruolo proattivo nella discussione degli argomenti di loro interesse. Gli studenti acquisiranno competenze specifiche nell'approccio interdisciplinare ai materiali che, partendo dalle basi fisiche fondamentali, porta ad applicazioni emergenti allo stato dell'arte (capacita' di apprendimento).
Contenuti sintetici
Il corso affronta gli ambiti della:
i) spettroscopia ottica, intesa come lo studio delle interazioni tra radiazione elettromagnetica e materia, considerando sia i concetti fondamentali che le sue applicazioni più estese;
e della:
ii) microscopia, principalmente focalizzata su metodi basati sulla luce, sugli elettroni e sui metodi a scansione di sonda.
Gli aspetti fondamentali della spettroscopia e della microscopia vengono trattati insieme agli approcci sperimentali che possono essere adottati. Tecniche classiche e metodi avanzati vengono proposti sia durante le lezioni che durante l'analisi di casi di studio. Gli studenti acquisiranno solide competenze e abilità in tali argomenti, diventando in grado di applicarli anche in contesti interdisciplinari. Il corso si compone di tre parti distinte:
Parte A: Spettroscopia ottica: Fondamenti
A1. Risposta dielettrica dei solidi
A2. Interfacce e film
Parte B: Spettroscopia ottica: Applicazioni
B1. Indagini sui materiali attraverso fenomeni di risonanza
B2. Introduzione alla risposta non lineare dei materiali alla radiazione elettromagnetica
B3. Spettroscopia ottica di mezzi disordinati
B4. Strutture a band-gap fotonico e metamateriali
Parte C: Fondamenti e applicazioni della microscopia
C1. Microscopie ottiche
C2. Microscopie elettroniche
C3. Microscopie a scansione di sonda
Programma esteso
Parte A: Spettroscopia Ottica: Fondamenti
A1 - Risposta dielettrica dei solidi
Ripasso delle equazioni di Maxwell nel vuoto e nella materia; equazione delle onde; spettro elettromagnetico. Propagazione della luce nei materiali; funzione dielettrica complessa e indice di rifrazione; riflettanza, trasmittanza e assorbanza. Tensore dielettrico e anisotropia; equazione delle onde in mezzi anisotropi. Origine microscopica della risposta dielettrica: modelli di Lorentz e Drude; relazioni di dispersione e relazioni di Kramers-Kronig. Effetti di schermatura e correzioni di campo locale, relazioni di Lorentz-Lorenz e Clausius-Mossotti. Modelli di Cauchy e Sellmeier. Modello semiclassico della risposta dielettrica. Comportamento dielettrico di isolanti, metalli e semiconduttori.
A2. Risposta Dielettrica di Interfacce e film
Introduzione alle interfacce; coefficienti di Fresnel; trasmittanza e riflettanza a incidenza normale; angolo di Brewster. Riflessione interna totale e onde evanescenti. Lastre spesse e film sottili: film trasparenti, assorbenti e anisotropi; film su substrati. Interfacce multiple, strutture multistrato e metodo della matrice di trasferimento.
Parte B: Spettroscopia ottica: Applicazioni
B1 - Indagini sui materiali attraverso fenomeni di risonanza
Assorbimento e trasmissione ottica; Spettroscopia di impedenza; Risonanza di spin elettronico; Luminescenza e fluorescenza stazionarie e risolte nel tempo. Spettroscopia Raman.
B2 - Introduzione alla risposta non lineare dei materiali alla radiazione elettromagnetica
Fondamenti della risposta non lineare; Non linearità del secondo e terzo ordine; Effetti elettroottici e Kerr; Origine della non linearità nei materiali (cristalli, vetri, polimeri). B3 - Spettroscopia luminosa di mezzi disordinati Ingegneria dei materiali vetrosi; propagazione delle onde in dielettrici stratificati; dai coefficienti di Fresnel alla matrice di trasferimento e alla matrice di scattering; dielettrici amorfi nella tecnologia ottica; quantificazione e controllo del disordine strutturale (tecniche di diffrazione e scattering della luce); effetti del disordine sul gap energetico e sulle transizioni negli stati localizzati; spettroscopia di ioni di metalli di transizione e ioni di terre rare in materiali a base di vetro.
B3- Spettroscopia ottica di mezzi disordinati
Ingegneria dei materiali vetrosi; propagazione delle onde in dielettrici stratificati; dai coefficienti di Fresnel alla matrice di trasferimento e alla matrice di scattering; dielettrici amorfi nella tecnologia ottica; quantificazione e controllo del disordine strutturale (tecniche di diffrazione e scattering della luce); effetti del disordine sul gap energetico e sulle transizioni in stati localizzati; spettroscopia di ioni di metalli di transizione e ioni di terre rare in materiali vetrosi.
B4- Strutture a band-gap fotonico e metamateriali
Interferenza di Bragg in strutture planari e non planari, trasmissione e riflessione, presenza di un band-gap fotonico. Panoramica delle nanostrutture a band-gap fotonico in una e due dimensioni. Esempi di applicazioni: fibre a cristallo fotonico e generazione di supercontinuum, guide d'onda e componenti fotonici, spettroscopie ottiche, cavità laser. Fondamenti dei metamateriali: regolazione dell'elettromagnetismo. proprietà di un sistema mediante ingegneria strutturale, controllo della permeabilità magnetica, materiali singoli e doppi negativi, indice di rifrazione negativo; possibilità aperte e applicazioni prospettiche dei metamateriali in diversi campi.
Parte C: Fondamenti e applicazioni della microscopia
C1 - Microscopia ottica
Principi fondamentali dell'ottica geometrica; Diffrazione della luce e teoria di Abbe dell'imaging; Progettazione e layout di un microscopio ottico; Microscopia a fluorescenza e microscopia confocale; Oltre il limite di Abbe: microscopia a illuminazione strutturata (STED); Microscopia a super risoluzione: PALM e STORM.
C2 - Microscopia elettronica
Natura ondulatoria degli elettroni e principi fondamentali dell'ottica elettronica; Interazione tra elettroni e materia. Microscopia elettronica a trasmissione (TEM): Layout di un microscopio TEM; Modalità di imaging (campo chiaro e campo scuro), diffrazione e cristallografia; Contrasti di ampiezza, diffrazione e fase nel TEM; TEM ad alta risoluzione; TEM a scansione; Preparazione del campione TEM. Microscopia elettronica a scansione (SEM): Layout di un microscopio SEM; Contrasto elettronico secondario e modalità di imaging. Spettroscopie elettroniche analitiche in SEM e TEM: spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX); spettroscopia di perdita di energia degli elettroni (EELS); microscopia elettronica Auger (AEM); catodoluminescenza (CL).
C3 - Microscopia a scansione di sonda
Concetti generali sulle tecniche di microscopia a scansione di sonda; microscopia a scansione a effetto tunnel: fenomeno dell'effetto tunnel, metodi di rilevamento, modalità di imaging e capacità spettroscopiche. Microscopia a forza atomica: forze punta-campione e scanner piezoelettrici; cantilever, metodi di rilevamento e modalità di imaging. Campi vicini ottici e SNOM. Spettroscopia Raman con punta potenziata (TERS).
Prerequisiti
Conoscenza di fondamenti di elettromagnetismo e di struttura della materia (argomenti trattati nel corso di Laurea Triennale in Scienza dei Materiali)
Modalità didattica
Il corso prevede sia lezioni teoriche dove si definiranno i principi di base dei diversi argomenti trattati, sia esercitazioni pratiche dove si discuteranno specifici casi studio, metodi sperimentali e applicazioni, sia visite in laboratorio in piccoli gruppi. In particolare, sono previste le seguenti attività:
- 24 ore sulla parte A (Spettroscopia ottica: fondamenti) in modalità erogativa in presenza (didattica erogativa).
- 32 ore sulla parte B (Spettroscopia ottica: applicazioni), includendo sia lezioni in aula in presenza (didattica erogativa), che visite in laboratori di interesse (didattica interattiva).
- 36 ore sulla parte C (Fondamenti e applicazioni della microscopia), includendo sia lezioni in aula in presenza (didattica erogativa), che visite in laboratori di interesse (didattica interattiva).
Materiale didattico
- J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2015), available at optics.byu.edu
- O. Stenzel, The Physics of Thin Film Optical Spectra (Springer, 2005)
- G. Giusfredi, Manuale di ottica (Springer, 2015)
- E. Hecht, Optics (Addison Wesley, 2002)
- M. Born and E. Wolf, Principles of Optics (Pergamon Press, 1989)
- F. Wooten, Optical Properties of Solids (Academic Press, 1972)
- J. G. Solé, L.E. Bausà, D. Jaque, “Optical spectroscopy of Inorganic Solids”, Wiley
- B.E.A. Saleh and M.C. Teich, “Fundamentals of Photonics”, Wiley
- R. Feynman, “Lectures on Physics” vol. 1, part 2, Inter European Editions
- K.S. Potter, J.H. Simmons, Optical Materials, Elsevier, 3rd chapter
- J.D. Joannopoulos, R.D. Meade, J.N. Winn, “Photonic Crystals“, Princeton University Press
- F. Costa and M. Borgese, “Metamaterials, metasurfaces and applications,” in Compendium on Electromagnetic Analysis. Singapore: World Scientific, 2020, ch. 3, pp. 89–169.
- D. B. Murphy, Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging, 1st Edition; Wiley-Liss, 2001.
- D. B. Williams and C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy; Springer, 2009.
- R. F. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy: An introduction to TEM, SEM, AEM; Springer, 2008.
- E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, Scanning Probe Microscopy: The Lab on a Tip; Springer, 2003.
Ulteriori risorse:
Slides dei docenti, tavole, diagrammi, disponibili sulla piattaforma e-learning.
NOTA: i libri di testo 2 e 3 possono essere scaricati come file PDF dal sito web della biblioteca; anche il libro di testo 1 è disponibile gratuitamente.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Il corso è annuale. Le lezioni della Parte-A sono erogate nel primo semestre, insieme con una porzione delle lezione della Parte-B. La restante porzione di Parte-B e la totalita' della Parte-C sono erogate nel secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
a) Prove in itinere
Il corso prevede due prove in itinere, che si terranno una alla fine del primo semestre e una alla fine del secondo semestre. Le due prove in itinere prevederanno un test scritto con alcune domande a risposta aperta sugli argomenti trattati nel primo e nel secondo semestre, rispettivamente, a cui seguira' un breve colloquio orale.
b) Prova finale
Per gli studenti che non vorranno sostenere le prove in itinere, e' previsto un esame completo alla fine del secondo semestre composto da un test scritto con alcune domande a risposta aperta, a cui seguira' un breve colloquio orale
c) Competenze valutate
Nelle prove in itinere e nella prova finale sono valutate le seguenti capacità:
- descrivere la risposta dielettrica delle principali classi di materiali ed individuare i requisiti di risposta alla radiazione elettromagnetica necessari affinché un materiale sia idoneo per specifiche funzionalità;
- Progettare strategie di misura per la caratterizzazione spettroscopica e microscopica delle proprietà dei materiali in relazione alle loro applicazioni.
d) Criteri per la valutazione
Sia nei test scritti che nei colloqui orali sono valutati i seguenti parametri:
i) percentuale delle domande proposte alle quali viene data risposta corretta;
ii) per ogni risposta, percentuale dei dettagli sperimentali e teorici forniti dallo studente rispetto a quelli esposti, discussi ed applicati durante il corso;
iii) per ogni argomento proposto durante la prova, percentuale dei commenti sugli aspetti applicativi rispetto a quelli discussi e compresi nei contenuti del programma.
Per coloro che sosterranno le due prove in itinere, la valutazione finale sarà data dalla media delle valutazioni raggiunte nelle due prove, ciascuna secondo tutti i criteri indicati.
Orario di ricevimento
8 - 18
Gli studenti possono prendere appuntamento con i docenti tramite e-mail per colloqui individuali.
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to lead students towards an understanding of the fundamental concepts in two main areas of materials science:
i) optical spectroscopy, i.e. the study of the response of materials to electromagnetic radiation, including implications for applications in photonics, optoelectronics and fiber optic communications;
ii) microscopy, of which the fundamental principles and the main techniques for the study of the infinitesimally small will be investigated through methods based on light-matter interaction, electron-matter interaction, and scanning probe approaches.
At the successful completion of the course, the student will have developed a solid understanding of the fundamental principles governing the propagation of light in various media (knowledge and understanding), as well as of the interface and local scale phenomena that form the basis for the study and implementation of experimental techniques (applying knowledge and understanding). The student will be able to critically assess and select the most appropriate spectroscopic and/or microscopic methods for carrying out basic measurements (making judgements), and will be proficient in employing precise and rigorous scientific language to effectively communicate the acquired knowledge (communication skills).
Although the major emphasis is put onto the physical aspects, the course fosters the development of cross-disciplinary ablilities, directly connected with other scientific areas, including, e.g., biophysics and biomaterials. During the course, students are required to play a pro-active role in discussing topics of their interest. Students will gain specific skills in the cross-disciplinary approach to materials that, starting from the fundamental physical basis, leads to emerging applications at the state-of-the-art (learning skills).
Contents
The course addresses the fields of:
i) optical spectroscopy, intended as the study of the interactions between electromagnetic radiation and materials, considering both fundamental concepts and its very extended applications;
and
ii) microscopy, mainly focused on light-based, electron-based and scanning probe methods.
Fundamental aspects of spectroscopy and microscopy are treated alongside the experimental approaches that can be adopted. Classical techniques and advanced methods are proposed both during lessons and during the analysis of case studies. Students will acquire solid competences and skills in such topics, becoming able to apply them also in cross-disciplinary contexts.
The course is composed of three different parts:
Part A: Optical Spectroscopy: Fundamentals
A1- Dielectric response of solids
A2. Interfaces and films
Part B: Optical Spectroscopy: Applications
B1. Investigations of Materials through resonance phenomena
B2. Introduction to non-linear response of materials to electromagnetic radiation
B3. Light spectroscopy of disordered media
B4. Photonic band-gap structures and metamaterials
Part C: Fundamentals and Applications of Microscopies
C1. Light Microscopies
C2. Electron Microscopies
C3. Scanning Probe Microscopies
Detailed program
Part A: Optical Spectroscopy: Fundamentals
A1- Dielectric response of solids
Review of Maxwell's equations in vacuum and in matter; wave equation; the electromagnetic spectrum. Propagation of light in materials; complex dielectric function and refractive index; reflectance, transmittance, and absorbance. Dielectric tensor and anisotropy; wave equation in anisotropic media.Microscopic origin of dielectric response: Lorentz and Drude models; dispersion relations and Kramers-Kronig relations. Screening effects and local field corrections, Lorentz-Lorenz and Clausius-Mossotti relations. Cauchy and Sellmeier models. Semi-classical model of the dielectric response. Dielectric behavior of insulators, metals, and semiconductors.
A2. Dielectric response of interfaces and films
Introduction to interfaces; Fresnel coefficients; transmittance and reflectance at normal incidence; Brewster angle. Total internal reflection and evanescent waves.
Thick slabs and thin films: transparent, absorbing, and anisotropic films; films on substrates. Multiple interfaces, multilayer structures, and the transfer matrix method.
Part B: Optical Spectroscopy: Applications
B1- Investigations of Materials through resonance phenomena
Optical absorption and transmission; Impedance spectroscopy; Electron spin resonance; Steady state and time resolved luminescence and fluorescence. Raman Spectroscopy.
B2- Introduction to non-linear response of materials to electromagnetic radiation
Fundamentals of the non-linear response; Second and third order non linearity; Electro-optic and Kerr effects; Origin of non-linearity in materials (crystals, glasses, polymers).
B3- Light spectroscopy of disordered media
Glass materials engineering; wave propagation in layered dielectrics; from Fresnel coefficients to transfer matrix and scattering matrix; amorphous dielectrics in optical technology; quantifying and controlling structural disorder (diffraction and light scattering techniques); effects of disorder on the energy gap and transitions at localized states; spectroscopy of transition metal ions and rare earth ions in glass-based materials.
B4- Photonic band-gap structures and metamaterials
Bragg interference in planar and non-planar structures, transmission and reflection, occurrence of a photonic band-gap. Survey of photonic band-gap nanostructures in one and two dimensions. Examples of applications: photonic crystal fibers and super-continuum generation, waveguides and photonic components, optical spectroscopies, laser cavities.
Basics of metamaterials: tuning the e.m. properties of a system through structural engineering, control of the magnetic permeability, single and double negative materials, negative refractive index; open possibilities and perspective applications of metamaterials in different fields.
Part C: Fundamentals and Applications of Microscopies
C1- Light Microscopy
Basic principles of geometric optics; Light diffraction and Abbe theory of imaging; Design and layout of a light microscope; Fluorescence microscopy and Confocal microscopy; Beyond the Abbe limit: structured-illumination microscopy (STED); Super-resolution microscopy: PALM and STORM.
C2- Electron Microscopy
Wave-nature of electrons and basic principles of electron optics; Interaction between electron and matter.
Transmission Electron Microscopy (TEM): Layout of a TEM microscope; Imaging modes (bright and dark field), diffraction and crystallography; Amplitude, diffraction, and phase contrasts in TEM; High-Resolution TEM; Scanning TEM; TEM sample preparation.
Scanning Electron Microscopy (SEM): Layout of a SEM microscope; Secondary electron contrast and imaging modes.
Analytical Electron Spectroscopies in SEM and TEM: Energy-Dispersive X-Ray spectroscopy (EDX); Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS); Auger Electron Microscopy (AEM); Cathodoluminescence (CL).
C3- Scanning Probe Microscopy
General concepts on scanning probe techniques; Scanning Tunnelling Microscopy: tunnelling phenomenon, detection methods, imaging modes, and spectroscopic capabilities. Atomic Force Microscopy: Tip-sample forces and piezo-electric scanners; cantilevers, detection methods, and imaging modes. Optical near-fields and SNOM. Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS).
Prerequisites
Fundamentals of classical electromagnetism and of structure of matter (topics presented in the Bachelor of Science in Materials Science).
Teaching form
The course includes both theorethical lectures where the basic principles of the various topics covered will be defined, and practical exercises where specific case studies, experimental methods and applications will be discussed, as well as visit to laboratories of interest in small groups.
In particular, the following activities are planned:
- 24 hours on part A (Optical spectroscopy: fundamentals) carried out in person (delivered didactics).
- 32 hours on part B (Optical spectroscopy: applications), including both lectures carried out in person (delivered didactics), and visits to laboratories of interest (interactive didactics).
- 36 hours on part C (Fundamentals and applications of microscopy), including both lectures carried out in person (delivered didactics), and visits to laboratories of interest (interactive didactics).
Textbook and teaching resource
- J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2015), available at optics.byu.edu
- O. Stenzel, The Physics of Thin Film Optical Spectra (Springer, 2005)
- G. Giusfredi, Manuale di ottica (Springer, 2015)
- E. Hecht, Optics (Addison Wesley, 2002)
- M. Born and E. Wolf, Principles of Optics (Pergamon Press, 1989)
- F. Wooten, Optical Properties of Solids (Academic Press, 1972)
- J. G. Solé, L.E. Bausà, D. Jaque, “Optical spectroscopy of Inorganic Solids”, Wiley
- B.E.A. Saleh and M.C. Teich, “Fundamentals of Photonics”, Wiley
- R. Feynman, “Lectures on Physics” vol. 1, part 2, Inter European Editions
- K.S. Potter, J.H. Simmons, Optical Materials, Elsevier, 3rd chapter
- J.D. Joannopoulos, R.D. Meade, J.N. Winn, “Photonic Crystals“, Princeton University Press
- F. Costa and M. Borgese, “Metamaterials, metasurfaces and applications,” in Compendium on Electromagnetic Analysis. Singapore: World Scientific, 2020, ch. 3, pp. 89–169.
- D. B. Murphy, Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging, 1st Edition; Wiley-Liss, 2001.
- D. B. Williams and C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy; Springer, 2009.
- R. F. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy: An introduction to TEM, SEM, AEM; Springer, 2008.
- E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, Scanning Probe Microscopy: The Lab on a Tip; Springer, 2003.
Additional resources:
Slides provided by the professors. Specific scientific papers, tables, and diagrams, are available on the e-learning platform.
NOTE: textbooks 2 and 3 can be downloaded as pdf files from the library website; textbook 1 is also freely available.
Semester
The course has an annual duration. Lessons of Part-A are given in the first semester, together with a portion of Part B. The remaining of Part-B and the whole Part C are given in the second semester.
Assessment method
a) In itinere tests
The course includes two in itinere tests, one at the end of the first semester and one at the end of the second semester. The two in itinere tests will include a written test with some open-ended questions on the topics covered in the first and second semester, respectively, followed by a short oral interview.
b) Final exam
For students who do not wish to take the in itinere tests, a full exam is scheduled at the end of the second semester consisting of a written test with some open-ended questions, followed by a short oral interview
c) Assessed skills
The following skills are assessed in the in itinere tests and in the final exam:
- describe the dielectric response of the main classes of materials and identify the response requirements to electromagnetic radiation necessary for a material to be suitable for specific functions;
- Design measurement strategies for the spectroscopic and microscopic characterization of the properties of materials in relation to their applications.
d) Evaluation criteria
Both in the written tests and in the oral interviews, the following parameters are evaluated:
i) percentage of the proposed questions to which the correct answer is given;
ii) for each answer, percentage of experimental and theoretical details provided by the student compared to those exposed, discussed and applied during the course;
iii) for each topic proposed during the test, percentage of comments on the applicative aspects compared to those discussed and included in the contents of the program.
For those who will take the two in itinere tests, the final evaluation will be given by the average of the evaluations achieved in the two tests, each according to all the criteria indicated above.
Office hours
8 - 18
Appointments between professors and students should be agreed via e-mail.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Adele Sassella
-
Giovanni Maria Vanacore
