CHIMICA FISICA DEI MATERIALI

Conoscenza e capacità di comprensione
Acquisire una conoscenza approfondita dei principi della chimica fisica dei materiali, con particolare riferimento alla relazione tra struttura cristallina, proprietà elettroniche, vibrazionali, termiche, dielettriche e ottiche dei materiali solidi. Comprendere i modelli teorici alla base della descrizione dei solidi cristallini, dei materiali semiconduttori e dei nanomateriali, nonché i principi fisici delle principali metodologie di caratterizzazione strutturale e spettroscopica.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Essere in grado di applicare i concetti della chimica fisica dello stato solido all’interpretazione delle proprietà dei materiali e alla correlazione tra composizione, struttura e comportamento funzionale. Utilizzare modelli teorici per analizzare fenomeni quali diffrazione, trasporto elettronico, vibrazioni reticolari, risposta dielettrica e interazione radiazione–materia, anche in relazione ad applicazioni tecnologiche nel campo dei materiali avanzati e dei nanomateriali.

Autonomia di giudizio
Sviluppare la capacità di valutare criticamente modelli teorici e dati sperimentali relativi ai materiali solidi, identificando le principali relazioni tra struttura microscopica e proprietà macroscopiche. Essere in grado di selezionare e valutare l’adeguatezza delle metodologie di caratterizzazione e degli approcci interpretativi più appropriati in funzione del problema scientifico affrontato.

Abilità comunicative
Essere in grado di comunicare in modo chiaro e rigoroso concetti, modelli e risultati relativi alla chimica fisica dei materiali, utilizzando un linguaggio scientifico appropriato e interagendo efficacemente con interlocutori specialisti e non specialisti in ambiti interdisciplinari.

Capacità di apprendimento
Sviluppare capacità autonome di approfondimento attraverso la consultazione di testi specialistici e della letteratura scientifica nel campo della chimica fisica dei materiali, dei materiali funzionali e delle nanotecnologie, acquisendo gli strumenti necessari per affrontare problematiche avanzate e aggiornarsi sull’evoluzione della disciplina.

Il corso si svolge mediante lezioni frontali integrate da eventuali esercitazioni dedicate all’applicazione dei modelli teorici e alla risoluzione di problemi quantitativi.

Le lezioni sono finalizzate alla presentazione dei principi fondamentali della chimica fisica dei materiali, con particolare riferimento alla struttura dei materiali cristallini, alle metodologie di caratterizzazione strutturale, alla struttura elettronica dei solidi, alle proprietà dei semiconduttori, alle vibrazioni reticolari e alle proprietà dielettriche e ottiche dei materiali.

Le esercitazioni sono dedicate all’applicazione dei concetti teorici attraverso la discussione e la risoluzione di problemi relativi alla struttura e alle proprietà dei materiali, con particolare attenzione all’interpretazione dei modelli fisico-chimici e dei dati sperimentali.

La frequenza e la partecipazione attiva alle lezioni e alle esercitazioni sono fortemente consigliate al fine di favorire la comprensione degli argomenti trattati e lo sviluppo delle capacità di analisi e applicazione.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Per seguire proficuamente il corso sono richieste conoscenze di base nei seguenti ambiti:

• conoscenze matematiche di base acquisite nella scuola secondaria superiore, incluse algebra, geometria, trigonometria e funzioni elementari;
• conoscenze di analisi matematica, con particolare riferimento al calcolo differenziale e integrale e alle funzioni di più variabili;
• conoscenze di fisica generale e sperimentale, con particolare riferimento ai principi di meccanica, elettromagnetismo e fenomeni ondulatori;
• conoscenze di chimica generale, con particolare riferimento alla struttura della materia, al legame chimico e alle proprietà degli elementi;
• conoscenze di chimica fisica, corrispondenti ai contenuti fondamentali dei corsi di Chimica Fisica, inclusi termodinamica, cinetica, meccanica quantistica, spettroscopia e proprietà molecolari della materia.

Sono inoltre richieste familiarità con il linguaggio matematico e con l’interpretazione quantitativa di fenomeni chimico-fisici.

La frequenza delle lezioni e delle esercitazioni è fortemente consigliata. Gli studenti sono responsabili della propria preparazione e dell’acquisizione dei contenuti trattati durante il corso.

I. Struttura dei materiali cristallini e formazione dei cristalli

• Definizione di struttura cristallina e termodinamica della cristallizzazione.
• Processi di nucleazione e crescita cristallina.
• Reticoli cristallini, celle unitarie e reticoli di Bravais.
• Direzioni cristallografiche e piani cristallini. Indici di Miller.
• Impaccamento nei cristalli ed energia di impaccamento.
• Strutture ad alto impaccamento.
• Cristalli covalenti, ionici e molecolari.
• Difetti nelle strutture cristalline: difetti di punto e difetti estesi.
• Termodinamica dei difetti di punto.

II. Metodologie di determinazione della struttura dei materiali

• Interferenza e diffrazione: principi generali.
• Diffrazione nei reticoli cristallini.
• Legge di Laue e legge di Bragg.
• Trasformate di Fourier e reticolo reciproco.
• Caratteristiche diffrattive di monocristalli e materiali policristallini.
• Diffrazione in sistemi nanocristallini e materiali solidi amorfi.

III. Struttura elettronica e proprietà di trasporto nei solidi

• Richiami sul trasporto di carica nei solidi.
• 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 e isolanti.
• Determinazione della struttura elettronica e principali tecniche correlate.
• Applicazioni ai nanomateriali.

IV. Materiali semiconduttori e applicazioni tecnologiche

• Portatori di carica nei semiconduttori e concetto di lacuna.
• Moto di elettroni e lacune in presenza di un campo elettrico.
• Concentrazione dei portatori e legge di azione di massa.
• Semiconduttori a gap diretto e indiretto.
• Semiconduttori drogati.
• Elementi di dispositivi a semiconduttore: diodo, transistore e transistore ad effetto di campo.
• Applicazioni in elettronica e fotonica.

V. Vibrazioni reticolari e proprietà termiche dei solidi

• Confronto tra vibrazioni molecolari e vibrazioni nei solidi cristallini.
• Relazioni di dispersione vibrazionale.
• Branche acustiche e branche ottiche.
• Il concetto di fonone.
• Densità degli stati vibrazionale.
• Frequenza di Debye.
• Tecniche spettroscopiche per lo studio delle vibrazioni reticolari.
• Proprietà termiche dei solidi.
• Legge di Dulong–Petit e deviazioni a basse temperature.

VI. Proprietà dielettriche e ottiche dei materiali

• Polarizzabilità statica e dinamica.
• Funzione dielettrica.
• Risposta macroscopica dei materiali alla radiazione elettromagnetica.
• Assorbimento, riflessione, diffusione elastica e anelastica.
• Modello di Lorentz.
• Indice di rifrazione complesso e relazione con la funzione dielettrica.
• Elettroni liberi e risonanza plasmonica.
• Applicazioni in ambito energetico, catalitico e ambientale.
• Principi di funzionamento dei laser e loro applicazioni in chimica e scienza dei materiali.

S.Elliott: The physics and chemistry of solids

C.Kittel: Introduction to solid state physics

La verifica dell’apprendimento avviene mediante un colloquio orale integrato, ove previsto, dalla discussione di esercizi o problemi di carattere quantitativo.

L’esame orale è finalizzato ad accertare la conoscenza e la capacità di comprensione degli argomenti trattati durante il corso, con particolare riferimento alla struttura dei materiali cristallini, alle metodologie di caratterizzazione strutturale, alla struttura elettronica dei solidi, alle proprietà dei semiconduttori, alle vibrazioni reticolari e alle proprietà dielettriche e ottiche dei materiali.

La prova può includere la discussione di problemi quantitativi relativi agli argomenti sviluppati nel corso, finalizzati a verificare la capacità di applicare modelli teorici e relazioni fisico-chimiche all’interpretazione delle proprietà dei materiali.

La valutazione terrà conto della padronanza dei contenuti, della capacità di correlare struttura microscopica e proprietà macroscopiche, dell’abilità nell’applicazione dei modelli teorici, dell’autonomia nell’analisi dei problemi e della proprietà di linguaggio scientifico.

Le domande e gli eventuali esercizi proposti durante l’esame riguardano gli argomenti trattati nel corso e sono finalizzati a verificare la comprensione dei principi fondamentali della chimica fisica dei materiali, la capacità di correlare struttura e proprietà dei materiali e l’abilità nell’applicazione dei modelli teorici.

Non sono previste domande d’esame predefinite o ricorrenti; i quesiti vengono formulati in relazione agli argomenti effettivamente trattati durante il corso.