Presentazione

Organizzazione della Didattica

DM270
PHYSICS ORD. 2017

Introduction to nanophysics

6

Physics of matter

 

Frontali Esercizi Laboratorio Studio Individuale
ORE: 32 0 20 85

Periodo

AnnoPeriodo
I anno2 semestre

Frequenza

Facoltativa

Erogazione

Lingua

Inglese

Calendario Attività Didattiche

InizioFine
02/03/202012/06/2020

Tipologia

TipologiaAmbitoSSDCFU
affine/integrativo Nessun ambitoFIS/036


Responsabile Insegnamento

ResponsabileSSDStruttura
Prof. MATTEI GIOVANNIFIS/01Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei" - DFA

Altri Docenti

Non previsti

Attività di Supporto alla Didattica

Esercitatore
Dott. BALASA IONUT GABRIEL

Bollettino

Elettromagnetismo, Fisica Quantistica (particella nella scatola, confinamento quantico), Fisica dello Stato Solido (struttura fononica ed elettronica dei solidi, proprietà termiche e proprietà ottiche)

Il corso si prefigge i seguenti obiettivi formativi: - Fornire le basi per la comprensione delle proprietà chimiche e fisiche dei materiali nanodimensionali che sono alla base delle loro potenziali applicazioni nel campo delle nanotecnologie. - Presentare alcune tecniche di sintesi e caratterizzazione di nanostrutture confinate (nanocluster) con applicazioni nanotecnologiche in fotonica, in plasmonica e nel magnetismo.

1) Fondamenti di NanoScienza (LM in Scienza dei Materiali) Il corso prevede lezioni frontali tenute dal Prof. G. Mattei (Modulo A) e dai Prof. S. Agnoli e Prof. M. Meneghetti (Modulo B). 2) Introduction to NanoPhysics (MSc in PHYSICS) Il corso prevede lezioni frontali tenute dal Prof. G. Mattei. Sono anche previste esercitazioni di laboratorio come applicazione dei contenuti visti a lezione (sintesi, caratterizzazione ottica e simulazione con la teoria di Mie di nanoparticelle metalliche in soluzione e loro caratterizzazione con microscopia elettronica).

1) Fondamenti di NanoScienza (LM in Scienza dei Materiali, 4 + 4 = 8 CFU) MODULO A (4 CFU) - Classificazione, caratteristiche e proprietà generali dei materiali nanostrutturati: confinamento quantico e proprietà elettroniche. Equazioni di taglia. - Proprietà termodinamiche di nanostrutture: effetto di taglia termodinamico, nucleazione (equazione di Gibbs-Thomson) e crescita di nanostrutture (regimi di aggregazione limitata dalla diffusione e Ostwald ripening) - Nanostrutture in matrice solida: l’impianto ionico per la sintesi e la modifica di nanostrutture metalliche. Verifica dei regimi di nucleazione e crescita. - Proprietà ottiche di nanostrutture: (i) proprietà plasmoniche di nanostrutture metalliche non interagenti (Teoria di Mie e sue estensioni); (ii) nanostrutture interagenti - Tecniche di caratterizzazione di nanostrutture: la microscopia elettronica in trasmissione (TEM) e in scansione (SEM). MODULO B (4 CFU) - Panoramica sui metodi di preparazione delle nanostrutture (sia top-down che bottom-up, con particolare enfasi sulle seconde). Aspetti strutturali ed energetici delle nanostrutture e metodi per la loro stabilizzazione. Difetti nei materiali nanodimensionali. Solidi a porosità controllata. Forme delle nanoparticelle: aspetti termodinamici e cinetici. Nanoparticelle core-shell. Autoassemblaggio ed auto organizzazione. Metodo colloidale. Effetto templante. Preparazione di nanoparticelle, nanowires, nanotubes, films ultrasottili. Self-assembled Monolayers. Films di Langmuir e Langmuir-Blodget. Interfacce coerenti, semi-coerenti, epitassiali e pseudomorfe. Metodi per crescita di films ultrasottili: CVD, MBE, PVD, ALE e PLD . - Richiamo delle equazioni fondamentali per la descrizione della dinamica di elettroni e fotoni. Proprietà della materia che consentono il confinamento di elettroni e fotoni. Densità degli stati per sistemi confinati in una, due o tre dimensioni. Proprietà di nanostrutture di carbonio a bassa dimensionalità: grafene e nanotubi. Descrizione tight binding delle loro proprietà di conduzione, ottiche (assorbimento ed emissione) e di scattering Raman (Kataura plots). Modelli per il confinamento elettronico in quantum dots nel regime di debole e forte confinamento. Confinamento di elettroni in nano particelle metalliche e proprietà plasmoniche. Condizione di Froehlich e proprietà ottiche a campo prossimo e lontano. Effetto SERS con nano strutture plasmoniche. Cenni al confinamento di fotoni in cristalli fotonici. 2) Introduction to NanoPhysics (MSc in PHYSICS)(4 + 2 = 6 CFU) I primi 4 CFU sono gli stessi del Modulo A del corso sopra descritto, che viene mutuato. Sono previsti inoltre 2 CFU addizionali con i seguenti contenuti: - Richiamo delle equazioni fondamentali per la descrizione della dinamica di elettroni e fotoni; - Confinamento di elettroni e fotoni in sistemi nanostrutturati; - Cristalli fotonici 2D e 3D; - Meta-materiali: (i) a dispersione iperbolica, (ii) ad indice di rifrazione negativo - Esercitazioni di Laboratorio: (i) sintesi di nanoparticelle sferiche di Au in soluzione; (ii) misura del loro spettro di trasmittanza UV-VIS; (iii) simulazione degli spettri misurati tramite la teoria di Mie; (iv) caratterizzazione tramite microscopia elettronica.

1) Fondamenti di Nanoscienza (LM in Scienza dei Materiali) L'esame consiste in una prova scritta (durata 2 ore) che prevede due domande aperte e una serie di quiz a risposta multipla. 2) Introduction to NanoPhysics (MSc in PHYSICS) L'esame consiste in una prova scritta (durata 2 ore) che una domanda aperta e un esercizio di applicazione numerica dei concetti appresi.

La valutazione della preparazione si baserà sulla comprensione degli argomenti svolti e sulla capacità di fare collegamenti fra diversi argomenti. Per il corso di Introduction to NanoPhysics (MSc in PHYSICS) si valuteranno anche le relazioni scritte presentate sulla parte di esercitazione pratica.

S. Maier, Plasmonics, fundamentals and applications. : Springer, 2007 C. Bohren, D. Huffmann, Absorption and scattering of light by small particles. : Wiley-Interscience, 2004 P. Prasad, Nanophotonics. : Wiley-Interscience, 2004 G. Cao, Nanostructures and Nanomaterials. : Imperial College Press, 2004 R. Kelsall, I. Hamley, M. Geoghegan, Nanoscale Science and Technology. : J.Wiley& Sons, 2005

Verranno fornite dispense da parte dei Docenti attraverso le pagine Moodle. Gli argomenti e i contenuti trattati potranno essere approfonditi e/o integrati sui testi indicati nella sezione 'Testi di Riferimento'.