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Laboratorio di fisica della materia

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Matter Physics Laboratory

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Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
FIS0094
Docente
Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)
Corso di studio
008510-101 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Nucleare e Subnucleare e Biomedica
008510-103 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica dell'Ambiente e delle Tecnologie Avanzate
008510-104 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica del Sistema Meteoclimatico e delle Tecnologie Avanzate
008510-102 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Biomedica
008510-104 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica delle Tecnologie Avanzate
Anno
2° anno
Periodo didattico
Primo periodo didattico
Tipologia
C=Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti
Il corso richiede una piena comprensione dei concetti di base di Fisica dello Stato Solido

The course requires a full understanding of the basic concepts of Solid State Physics
Propedeutico a
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

L'insegnamento si propone di fornire agli studenti nozioni fondamentali su alcune tecniche sperimentali per lo studio dei materiali, sui relativi modelli interpretativi,  protocolli sperimentali ed approcci di analisi dei dati. L'insegnamento prevede attività in laboratorio in cui gli studenti potranno utilizzare strumentazione avanzata per effettuare misurazioni di osservabili relative a proprietà morfologiche,  strutturali, composizionali, opto-elettroniche di materiali a stato solido. In particolare si tratteranno tecniche per la fabbricazione del vuoto e per la misurazione delle basse pressioni, di spettroscopia ottica, Raman, di fotoemissione.

The teaching is aimed to provide fundamental notions on some important experimental techniques for the study of materials, the relevant interpretative models, the experimental protocols and the data analysis techniques. During the Laboratory activities, students can use advanced instrumentation to measure physical observables relevant to morphological, structural, compositional, opto-electronic properties of solid state materials. in particular, techniques for vacuum fabrication and measurement, optical, Raman and photoemission spectroscopies will be available to the students for material characterization.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacita' di comprensione (knowledge and understanding)

Il corso fornische una solida preparazione relativamente alle tecniche sperimentali nell'ambito della fisica delle tecnologie avanzate. In particolare, lo studente acquisirà

  • Nozioni fondamentali di fisica delle basse pressioni e di tecniche per la fabbricazione del vuoto e per la misurazione delle basse pressioni.
  • Nozioni riguardanti tecniche sperimentali per la caratterizzazione di materiali avanzati e relativi dispositivi, basate sulla microscopia elettronica, spettroscopia ottica e Raman, spettroscopia di fotoemissione, fotoconduttiva, interferometria in luce bianca o con altre tecniche disponibili in laboratorio.
  • Nozioni di tecniche acquisizione ed elaborazione dei dati sperimentali con strumenti informatici dedicati per estrarre dalle misure le informazioni necessarie per la caratterizzazione dei materiali analizzati.

Capacita' di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Il corso fornisce agli studenti le nozioni fondamentali per la comprensione dei fenomeni fisici alla base di alcune delle più diffuse tecniche sperimentali per la caratterizzazione di materiali e dispositivi a stato solido.

In particolare, gli studenti acquisiranno:

  • capacità di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta trattazione statistica;
  • capacita' di utilizzare strumentazione tecnologicamente avanzata per misure di laboratorio nell'ambito, della fisica della materia.
  • capacità di applicare tecniche sperimentali adeguate per la misura di osservabili fisiche caratterizzanti la struttura, composizione e funzionalità opto-elettronica di materiali e dispositivi a stato solido.

 

Knowledge and understanding

 The teaching will provide an introduction to the experimental technique within the Physics of Advanced technology. In particular, students will acquire:

  • Fundamental notions on the physics of vacuum and on techniques for the fabrication and measurements of low pressures.
  • Fundamental notions regarding experimental techniques for the characterization of advanced materials and devices, based on the electron microscopy, optical, Raman, photoemission spectroscopy and other techniques available in laboratory.
  • Fundamental notions on the data acquisition techniques and on the analysis of experimental data, using suitable informatic tools

 Applying knowledge and understanding.

  •  ability to interpret experimental data by means of correct statistical data analysis;
  • ability to use advanced instrumentation for material characterization.
  • ability to apply adequate experimental techniques to measure the structural, compositional and functional properties of solid state materials and devices.

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Programma

 LABORATORY CALENDAR

Schedule of Classes

Mon. 23 september 2019;

h. 14-16, Room Avogadro

  • Introduction to optical spectroscopy and interferometry.
  • Measurement of Transmittance of thin films

Tue. 24 september 2019;
h. 14-16, Room Avogadro

  • Measurement of Reflectance of thin films.
  • Measurements of transmittance and reflectance of thick samples.
  • Interpretation of interferograms

Wed. 25 september  2019;
h. 14-16, Room D

  • Experimental set-up for white light interferometry experiments 

Mon.30 september 2019;
h. 14-16, Room Avogadro

  • Introduction to vacuum technique.
  • Units.
  • Vacuum regimes.
  • Conductance,
  • Vacuum Fundamental equations.

Tue. 1 october 2019;
h. 14-16, Room Avogadro

  • Numerical examples of applications of the fundamental equation. Effective pumping velocity.
  • Pumps: rotative mechanical pump, diffusion pumps, turbomolecular pumps.

Mon. 7 october 2019;
h. 14-16, Room Avogadro

  • Ion pumps.
  • Vacuum gauges. Bourdon, capacitive, Pirani, Thermocouple, Ion gauge, Penning gauge.Introduction to the measurement of the pumping speed in rough vacuum regime

Tue. 8 october 2019;
h. 14-16, Room Avogadro

  • Introduction to Raman Sopectroscopy.

Wed. 9 october 2019;
h. 14-16, Room D

  • Raman Spectroscopy: experimental set-up and cases of study

Mon. 14 october 2019;
h. 14-16, Room Avogadro

  • Interaction of electrons with matter

Tue. 15 october 2019;
h. 14-16, Room Avogadro

  • Introduction to electron microscopy

Wed. 16 october 2019;
h. 14-16, Room D

  • Components of a scanning electron microscope. Cases of study

 The students are organized in  groups, which will work on 6 workstations 

Scanning Electron Microscope (1);  White light interferometry (2); Vacuum Technology (2); Raman Spectroscopy (1): 

 Timetable of the laboratory availability 

Deadline for the submission of the final report: Saturday, November 30th, 2019

 

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Modalità di insegnamento

Il corso prevede 22-24 h di lezioni in aula in cui verranno introdotte le tecniche sperimentali, i protocolli sperimentali ed i modelli interpretativi e 36 h di attività in laboratorio (per studente). Gli studenti iscritti all'insegnamento si distribuiranno in gruppi da 3 o (max) 4 membri per svolgere le attività sperimentali nei tempi pianificati dal calendario di occupazione della strumentazione.

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. E' obbligatoria la frequenza in laboratorio per almeno il 70% delle ore previste.

CALENDARIO ATTIVITA' LABORATORIALI

The teaching is organized in

22-24 h of lecturers aimed to present some experimental techniques, experimental protocols and interpretative models

36 h of laboratory activities (per student). The students will be divided in working groups (3-4 students) to carry out measurements during the time planned in the calendar of the laboratory sessions.

The participation to the frontal lectures is not mandatory.
The participation to the ithe laboratory is  mandatory for at least 70% of the time devoted to laboratory activities

LABORATORY CALENDAR

 

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Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento si articolerà in due valutazioni:

valutazione delle attività di laboratorio

tale valutazione è volta a verificare la capacità dello studente  ad utilizzare con procedure appropriate la strumentazione di laboratorio per la caratterizzazione dei materiali e gli opportuni metodi di analisi statistica dei dati. Lo strumento di verifica è un rapporto tecnico delle attività svolte in laboratorio, redatto da ogni gruppo di lavoro. La relazione dovrà essere consegnata (in formato elettronico) entro una settimana dal termine delle attività di laboratorio. Eventuali ritardi saranno penalizzati in sede di valutazione. Entro una settimana dalla consegna delle relazioni i gruppi di lavoro verranno invitati a discutere le relazioni. La discussione verterà sull'analisi della relazione, in termini di uso corretto della notazione scientifica, uso corretto del protocollo di misura, adeguata analisi statistica dei dati, risultati ottenuti. E' richiesta la presenza  di almeno un rappresentante per gruppo. La valutazione finale sarà comune a tutti i membri del gruppo. La valutazione ha una validità di 24 mesi.

Consegna delle relazioni (formato pdf, via e-mail al docente): 

  • Sabato 30 novembre 2019

Discussione delle relazioni:

Lunedì 9 dicembre 2019, Sala Wataghin

h.14.00 Gruppo 1

h.14.30 Gruppo 2

h.15.00 Gruppo 3

h.15.30 Gruppo 4

h.16.00 Gruppo 5

h.16.30 Gruppo 6

h.17.00 Gruppo 7

valutazione della prova orale

tale valutazione è volta a verificare la conoscenza dei modelli fisici fondamentali alla base delle tecniche sperimentali per la caratterizzazione dei materiali  e verificare la capacità di esporre il protocollo di misura e l'analisi statistica adottata durante le attività svolte in laboratorio. 

Per accedere alla prova orale e' necessario aver acquisito una votazione di almento 18/30. La prova orale consisterà in una domanda relativa alle misurazioni effettuate in laboratorio ed in una domanda su altri argomenti trattati a lezione.

Prova Orale:

Venerdì 13 dicembre 2019, h. 9.00, Sala Castagnoli

Il voto finale sarà la media delle valutazioni (espresse in trentesimi) riportate nelle due prove. 

Sessioni straordinarie possono essere richieste solo da studenti in prossimità di discutere la tesi e aventi questo come ultimo esame.

  

 

The exam is structured in two parts:

 Laboratory reports:

This exam is aimed to verify the student abilities to properly use the instrumentation and data analysis techniques for material characterization. The laboratory groups will have to present their group-based laboratory reports to the teacher within one week from the conclusion of the laboratory sessions. Any delay will be penalized in the assessment. Within one week from the report delivery, the groups will be invited to discuss the report. The discussion will be about the correct use of the scientific notation, of the experimental protocol and of the statistical data analysis. The assessment is relevant to all the group members and its validity is 24 months.

Delivery of reports (pdf format, via e-mail to the teacher): 

  • Saturday 30 november 2019

Discussion of the reports:

  • Monday 9 december 2019  

 Oral Exam:

This exam is aimed to verify the knowledge of the fundamental physical models relevant to the experimental techniques for material characterization, and to verify the ability to properly show the experimental techniques and the interpretative models of the laboratory activities. Only students with a sufficient evaluation of their laboratory reports (>18/30) will be admitted to the oral exam. The exam will consist in answers relevant to one of the experimental techniques used in the laboratory and one question on topics presented during the course lectures.

The final mark will result from the average of the marks obtained in the 2 above-mentioned exams (evaluation of the laboratory reports,  oral exam).

The calendar of exams sessions is shown on the ESSE3 website.
Out of schedule sessions can be granted to students only if they are close to their thesis dissertation, and if they don't have any courses left to follow and only one exam left to undertake.

 

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Attività di supporto

Dettagli sono disponibili al sito del gruppo di fisica dello stato solido 

SEMINARIO 

Giovedì 14 Novembre 2019, h. 14.00-15.00, aula D, Dip. Fisica, via P. Giuria 1

Nello Li Pira (Centro Ricerche Fiat): Sustainable Materials for Future Mobility CRF- UNITO

VISITA

Venerdì 22 Novembre 2019, h. 14.00-17.00, INRiM, Strada delle Cacce 91, Torino

Visita ai laboratori Quantum Research/Nanofacility Piemonte/Materiali Magnetici

 

More details are available at the solid state physics group website

Thursday 14 November 2019, h. 14.00-15.00, room D, Dept. Fisica, via P. Giuria 1

Nello Li Pira (Centro Ricerche Fiat): Sustainable Materials for Future Mobility CRF- UNITO

Friday 22 Novembre 2019, h. 14.00-17.00, INRiM, Strada delle Cacce 91, Torino

Visit at the laboratories Quantum Research/Nanofacility Piemonte/Magnetic Materials

 

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Testi consigliati e bibliografia

Introduzione alla tecnologia del vuoto
Autore: Bruno FerrarioEdizione: 2. ed. riv. ed ampliata / da Anita Calcatelli
Casa editrice: Bologna : Pàtron, 1999
ISBN: 8855525107

 Le dispense e copia delle slides proiettate a lezione sono disponibili alla voce "materiale didattico".

The following textbook is unfortunately available just in an Italian edition

Introduzione alla tecnologia del vuoto
Author: Bruno Ferrario Edizione: 2. ed. riv. ed ampliata / da Anita Calcatelli
Publishing company: Bologna : Pàtron, 1999
ISBN: 8855525107

Lecture Notes available at the "Materiale Didattico" web page.

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Note

Nessuna propedeuticità obbligatoria. Per le esperienze in laboratorio la frequenza è obbligatoria. Al termine dell'attività in laboratorio, gli studenti, suddivisi in gruppi, dovranno consegnare una relazione scritta sull'attività svolta.

LE RELAZIONI DOVRANNO ESSERE CONSEGNATE ENTRO SABATO 30 novembre 2019

DISCUSSIONE DELLE RELAZIONI:  

Discussione delle relazioni:

Lunedì 9 dicembre 2019, Sala Wataghin

h.14.00 Gruppo 1

h.14.30 Gruppo 2

h.15.00 Gruppo 3

h.15.30 Gruppo 4

h.16.00 Gruppo 5

h.16.30 Gruppo 6

h.17.00 Gruppo 7

 

No prerequisites required. For the experiences in the laboratory, attendance is mandatory. At the end of lab activity, the students, divided in groups, have to hand in a written report on the performed experiences.

THE REPORTS HAVE TO BE HANDED IN WITHIN Saturday 30 november 2019

REPORTS DISCUSSION:

Calendar to be defined starting from 9 december 2019

Schedule: 

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Corsi che mutuano questo insegnamento

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Orario lezioniV

GiorniOreAula
Lunedì14:00 - 16:00Aula Avogadro Dipartimento di Fisica
Martedì14:00 - 16:00Aula Avogadro Dipartimento di Fisica
Mercoledì14:00 - 16:00Aula D Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 23/09/2019 al 22/11/2019

Nota: In aula fino al 17/10/19

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    Ultimo aggiornamento: 24/11/2019 12:45
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