CHIMICA FISICA DEI MATERIALI
Anno accademico 2019/2020 - 1° anno - Curriculum Chimica dei Materiali e NanotecnologieCrediti: 8
SSD: CHIM/02 - CHIMICA FISICA
Organizzazione didattica: 200 ore d'impegno totale, 134 di studio individuale, 42 di lezione frontale, 24 di esercitazione
Semestre: 1°
Obiettivi formativi
Comprendere a fondo la struttura della materia allo stato solido, la spettroscopia e le possibili applicazioni dei materiali
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Lezione ed esercitazioni numeriche
Prerequisiti richiesti
Nozioni di matematica come da programmi della scuola secondaria superiore
Nozioni di analisi matematica
Fisica generale e sperimentale
Chimica generale
Chimica fisica I e II
Frequenza lezioni
La frequenza è a totale responsabilià dello studente
Contenuti del corso
- Struttura cristallina
Reticoli cristallini e celle unitarie. Simmetrie spaziali e simmetrie di punto. Reticoli cristallini e reticoli di Bravais. Direzioni cristalline e piani cristallini. Indici di Miller. Energia di impaccamento. Strutture ad alto impaccamento. Cristalli covalenti, cristalli ionici, cristalli molecolari. Difetti nelle strutture cristalline. Difetti di punto e difetti estesi. Termodinamica dei difetti di punto.
- Metodologie di determinazione della struttura
Interferenza e diffrazione: concetti generali. Diffrazione in reticoli cristallini. Legge di Laue e legge di Bragg. Trasformate di Fourier e reticoli reciproci. Caratteristiche diffrattive di monocristalli e policristalli. La diffrazione in sistemi nanocristallini e nei solidi amorfi.
- Il sistema elettronico dei solidi
Trasporto di carica nei solidi: richiami. Elettroni liberi ed elettroni legati. Struttura a bande e teorema di Bloch. Relazioni di dispersione elettronica. Densità degli stati elettronici. Distribuzione di Fermi- Dirac. Metalli, semiconduttori, isolanti. Determinazione della struttura elettronica e alcune tecniche correlate. Applicazioni ai nanomateriali.
- Materiali semiconduttori e loro applicazioni
Portatori di carica nei semiconduttori ed il concetto di lacune. Moto di lacune ed elettroni in un campo elettrico. Concentrazione di portatori e legge di azione di massa. Semiconduttori a gap diretta ed indiretta. Semiconduttori drogati. Cenni su alcuni dispositivi a semiconduttore: diodo, transistore, transistore ad effetto di campo. Applicazioni in elettronica fotonica.
- Vibrazioni dei reticoli cristallini e proprietà termiche
Vibrazioni molecolari e vibrazioni nei solidi cristallini: un confronto. Relazioni di dispersione vibrazionali. Branche acustiche e branche ottiche. Il concetto di fonone. Densità di stati vibrazionale. Frequenze di Debye. Approcci spettroscopici per lo studio delle vibrazioni reticolari. Proprietà termiche dei solidi, legge di Dulong e Petit. Deviazioni a basse temperature.
- Proprietà dielettriche ed ottiche
Polarizzabilità statica e dinamica. Funzione dielettrica. Risposta macroscopica di un materiale alla radiazione elettromagnetica. Assorbimento, riflessione, diffusione elastica ed anelastica. Modello di Lorentz, indice di rifrazione complesso e correlazione con la funzione dielettrica. Elettroni liberi e risonanza plasmonica. Applicazioni in energetica, catalisi ed ambiente. I laser ed il loro uso in chimica e nella scienza dei materiali.
Testi di riferimento
S.Elliott: The physics and chemistry of solids
C.Kittel: Introduction to solid state physics
Programmazione del corso
Argomenti | Riferimenti testi | |
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1 | Reticoli cristallini e celle unitarie | S.Elliott: The physics and chemistry of solids |
2 | I principali legami intra-molecolari ed inter-molecolari nei solidi | S.Elliott: The physics and chemistry of solids |
3 | Metodologie di determinazione della struttura | S.Elliott: The physics and chemistry of solids |
4 | Il sistema elettronico nei solidi | S.Elliott: The physics and chemistry of solids |
5 | Vibrazioni dei reticoli cristallini e proprietà termiche | S.Elliott: The physics and chemistry of solids |
6 | Proprietà ottiche e dielettriche | S.Elliott: The physics and chemistry of solids |
7 | Caratteristiche dei materiali con “dimensionalità” ridotta | S.Elliott: The physics and chemistry of solids |
8 | Materiali semiconduttori e loro applicazioni | S.Elliott: The physics and chemistry of solids |
9 | Impiego dei laser in scienza dei materiali | S.Elliott: The physics and chemistry of solids |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
Colloquio orale con esercitazione numerica
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
Tutte le domande relative alla struttura elettronica e vibrazionale dei mateiali, la spettroscopia e le applicazioni tecnologiche