Course Syllabus
Obiettivi
L’obbiettivo del corso è fornire allo studente una panoramica sul alcune tecniche di spettroscopia e microscopia per la caratterizzazione dei materiali, con un particolare riguardo alle applicazioni nel campo dell’optometria e della vision science.
Per ciascuna tecnica verranno trattati i seguenti argomenti:
- proprietà fisiche (quali informazioni possono essere estratte);
- compatibilità e preparazione dei campioni;
- requisiti e complessità dell'hardware;
- analisi e presentazione dei dati.
Di conseguenza, al termine del corso gli studenti dovranno essere in grado di:
- riconoscere le tecniche applicate in un lavoro di ricerca;
- leggere e comprendere i risultati dei dati scientifici su un articolo scientifico;
- suggerire le tecniche migliori per affrontare uno specifico problema di ricerca;
- sapere come visualizzare correttamente i dati scientifici per ciascuna tecnica.
Contenuti sintetici
Il corso è composto da tre moduli principali:
1 – Introduzione generale sui concetti fondamentali dell’interazione luce/materia;
2 – Tecniche spettroscopiche: UV-VIS (ultravioletto - visibile), IR/FTIR (spettroscopia infrarossa), Raman, ellissometria spettroscopica, spettroscopie a raggi X e tecniche basate sulla luce di sincrotrone;
3 – Tecniche di imaging: tecniche di superrisoluzione (STED, PALM, STORM). microscopia elettronica (SEM/TEM), microscopia a scansione (STM/AFM).
I due moduli di spettroscopia e microscopia saranno affiancati a lezioni dedicate ai metodi appropriati per l’analisi dei dati.
Programma esteso
• Introduzione: richiami di analisi complessa (trasformata di Fourier); modelli fondamentali per l'interazione luce-materia: indice di riflettività, modello degli oscillatori di Lorentz, diagrammi TART, transizioni fra bande energetiche e larghezza di riga.
• Tecniche di spettroscopia: spettroscopia UV-VIS: setup sperimentale, metodi ed esempi di applicazion con particolare attenzione ai materiali per l'ottica, l'optometria e la scienza della visione:
o Spettroscopia Raman e IR/FTIR: modi vibrazionali, metodi ed esempi di applicazione;
o Ellissometria: introduzione, setup sperimentale, modellazione dei materiali ed esempi di applicazioni;
o Introduzione generale ai raggi X; cenni sulle spettroscopie a raggi X (XRD, XPS).
o Luce di sincrotrone e relative tecniche di indagine.
o Metodi di analisi dei dati per dati spettroscopici: smoothing, interpolazione, filtri di convoluzione/deconvoluzione, stima del rumore, tecniche di fit, modalità di presentazione dei dati.
• Tecniche di imaging: allestimento sperimentale, metodi e applicazioni con particolare attenzione ai materiali per l'ottica, l'optometria e la scienza della visione:
o Cenni di microscopia: storia, setup sperimentale, concetti generali;
o Tecniche di superrisoluzione: microscopia a fluorescenza, tecniche STED/PALM/STORM/SNOM
o Microscopie elettroniche: SEM e TEM. Configurazione sperimentale e preparazione del campione;
o Tecniche di rasterizzazione: microscopia a scansione tunnel (STM) e microscopia a forza atomica (AFM).
o Metodi di analisi dei dati di imaging: trasformazioni morfologiche, operatori di convoluzione, filtraggio FFT, rilevamento dei contorni e identificazione dei cluster, statistiche e metriche generali, linee guida per la visualizzazione dei dati.
Prerequisiti
I prerequisiti coincidono con gli argomenti del colloquio di ammissione descritti nella pagina “Orientamento in Ingresso e Modalità di Ammissione al Corso di Studi”, consultabili sulla pagina e-learning del corso di studi. Richiami ai concetti di base necessari per tutto il corso verranno fatti nelle lezioni introduttive.
Modalità didattica
42 ore totali così suddivise:
• 26 ore di lezioni erogative in presenza
• 4 ore di lezioni interattive in presenza
• 12 ore di lezioni erogative a distanza, videoregistrate
Materiale didattico
Slides dei corsi, registrazioni per le lezioni a distanza, materiale supplementare fornito dal docente.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La prova finale è costituida da un esame orale svolto in due parti consecutive:
- A ciascun studente verrà chiesto di concordare preventivamente con il docente (almeno due settimane prima dell'esame) un argomento od una tecnica da portare come approfondimento, la cui presentazione (della durata di circa 20 minuti) determinerà 2/3 dell'esito finale.
- In seguito verranno fatte alcune domande aggiuntive sui restanti argomenti del corso, ad un livello di approfondimento minore rispetto all'argomento scelto per la prima parte.
Durante l'esame potrebbe essere richiesto agli studenti di valutare alcuni grafici o dati estratti da articoli di ricerca.
Non sono previste prove in itinere.
I criteri per la valutazione sono i seguenti: insufficiente: minore di 18; sufficiente: 18-23; buono: 24-27; ottimo: 28-30; eccellente: 30 e lode.
Orario di ricevimento
su appuntamento da concordare via email
Sustainable Development Goals
Aims
The scope of the course is to give the students a general introduction to the main spectroscopy and imagine techniques currently available for material characterization, with a focus on materials with applications in optometry and vision science. For each technique, the following topics will be covered:
- physical properties (what information can be extracted);
- sample compatibility and specimen preparation;
- hardware requirements and complexity;
- data analysis and presentation.
At the end of the class the students should:
- recognize the techniques applied in a research work;
- be capable of reading and understanding scientific data results on a scientific paper;
- be able to suggest the best techniques in order to tackle a specific research problem;
- know how to properly display scientific data for each technique.
Contents
The course will be divided in three sections:
1 – A general introduction, with basic concept of light interaction with matter;
2 – Spectroscopy techniques: UV-VIS, IR/FTIR, Raman, spectroscopic ellipsometry, X-ray based spectroscopies, synchrotron light techniques;
3 – Imaging techniques: standard and superresolution (STED, PALM, STORM) microscopies, SEM/TEM, STM, AFM.
Both spectroscopy and imaging modules will be complemented by a lecture about the corresponding basic data analysis methods.
Detailed program
• Introduction: complex analysis reminders (Fourier transform); fundamental models for light-matter interaction: reflectivity index, Lorentz oscillator model for single resonator, TART diagrams, double level transition time and linewidth.
• Spectroscopy techniques. Experimental setup, methods and application examples with special focus on the materials for optics, optometry, and vision science:
o UV-VIS spectroscopy;
o Raman and IR/FTIR spectroscopy: vibrational modes, methods and application examples;
o Ellipsometry: introduction, experimental setup, material modelling and application examples;
o General introduction to X-rays; overview of X-ray spectroscopies (XRD, XPS, XAS).
o Data analysis methods for spectroscopy data: smoothing, interpolation, convolution/deconvolution filters, noise estimation, spectra matching, curve fitting, data visualization best practice.
• Imaging technique: experimental setup, methods and application with special focus on the materials for optics, optometry, and vision science:
o Overview of microscopy: experimental setup, general concepts;
o Fluorescence microscopies and superresolution techniques (STED/PALM/STORM/SNOM)
o Electron microscopies: SEM and TEM. Experimental setup and sample preparation;
o Rasterization techniques: scanning tunneling microscopy (STM) and atomic force microscopy (AFM).
o Data analysis methods for imaging results: morphological transformations, convolution operators, FFT filtering, contours detection and cluster identification, general statistics evaluation, data visualization guidelines.
Prerequisites
Student requirements match the topics listed in the “Orienteering for Future Students and Admission Procedures”, available on the e-learning platform. Basic mathematical topics will be refreshed on the first course lectures.
Teaching form
42 total lecture time:
• 26 hours of frontal lectures;
• 4 hours of interactive frontal lessons
• 12 hours of remote lectures, recorded
Textbook and teaching resource
Course slides, vide recordings for remote lessons, additional material provided by the teacher.
Semester
second semester
Assessment method
The final exam consists of an oral examination divided into two consecutive parts:
- Each student is required to agree in advance with the instructor (at least two weeks prior to the exam) on a topic or technique for in-depth study. The presentation of this topic (lasting approximately 20 minutes) will account for 2/3 of the final grade.
- This will be followed by a few additional questions on the remaining course topics, which will be assessed at a lower level of detail compared to the topic chosen for the first part.
During the exam, students may be asked to evaluate graphs or data extracted from research articles. There are no mid-term exams.
The grading criteria are as follows:
Fail: < 18
Pass: 18–23
Good: 24–27
Very Good: 28–30
Excellent / Outstanding: 30 with honors (30 e lode)
Office hours
by appointment to be arranged via email
Sustainable Development Goals
Staff
-
Giovanni Drera
