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Oggetto:
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Materiali per l'optoelettronica

Oggetto:

Materials for Optoelectronics

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Anno accademico 2019/2020

Codice dell'attività didattica
MFN0854
Docente
Dott. Lorenzo Mino (Titolare del corso)
Corso di studi
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
008510-104 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica delle Tecnologie Avanzate
008510-106 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Nucleare e Sub-nucleare
Anno
1° anno
Periodo didattico
Secondo periodo didattico Terzo periodo didattico
Tipologia
C=Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti

Conoscenze di base di meccanica quantistica

Basic knowledge of quantum mechanics
Propedeutico a
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

L’insegnamento si inserisce nel generale obiettivo del corso di studio di fornire agli studenti, a partire da solide conoscenze fisiche di base, un'ottima padronanza di tecniche modellistiche e sperimentali che consentano di affrontare percorsi di ricerca scientifica di base e applicativa. In particolare l’insegnamento consentirà agli studenti di acquisire conoscenze specifiche di meccanica quantistica e di fisica dello stato solido utili per un'approfondita comprensione della fisica e delle tecnologie dei materiali semiconduttori impiegati nei dispositivi per l’optoelettronica.

 

The teaching is part of the general objective of the Master to provide students, starting from solid basic physical knowledge, good skills in modeling and experimental techniques that allow them to tackle basic and applied scientific problems. In particular, the course will allow students to acquire specific knowledge of quantum mechanics and solid-state physics concepts useful for an in-depth understanding of the physics and technologies of semiconductor materials employed in devices for optoelectronics.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà conoscere:

  • i concetti fondamentali di meccanica quantistica necessari per studiare le proprietà elettroniche di molecole e solidi
  • le principali tecniche di crescita e caratterizzazione di materiali semiconduttori per l’optoelettronica

Dovrà inoltre acquisire autonomia di giudizio utile ad applicare criticamente le tecniche modellistiche e sperimentali presentate a casi reali di interesse tecnologico.  



At the end of the course, the student must know:

  • the fundamental concepts of quantum mechanics necessary to study the electronic properties of molecules and solids
  • the main growth and characterization techniques of semiconductor materials for optoelectronics

He must also acquire autonomy of judgment useful for critically applying the modeling and experimental techniques presented to real cases of technological interest.



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Modalità di insegnamento

Il corso prevede 48 ore di lezioni teoriche e esercitazioni in aula che prevedono l’uso di programmi di modellistica molecolare. Il corso si svolgerà con modalità interattive volte a stimolare il coinvolgimento degli studenti. Le slide presentate a lezione sono fornite agli studenti nel materiale didattico online.

 

upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png A seguito della sospensione dell'attività didattica in presenza legata all'emergenza COVID-19, gli argomenti non trattati in aula sono disponibili in forma di videolezioni accessibili tramite link presenti nella sezione dedicata al materiale didattico nella pagina web dell'insegnamento. Il ricevimento studenti avverrà con forme di colloquio a distanza (videoconferenze, mail).

 

The course consists of 48 hours of theoretical lessons and exercises involving the use of molecular modeling programs. The course will take place with interactive methods aimed at stimulating student involvement. In the section devoted to teaching materials, the slides presented during the lessons are available.

 

upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png Owing to the suspension of classroom teaching due to the COVID-19 emergency, the topics not covered in the classroom are available as video lessons accessible via links in the website section dedicated to teaching material. The student reception will take place through remote communication (video conferences, e-mail).



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Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento prevede una prova orale sugli argomenti delle lezioni teoriche in cui potrà venire richiesto l’uso dei programmi di modellistica molecolare illustrati durante le esercitazioni in aula. Nella valutazione complessiva si terrà conto della capacità di ragionamento critico sugli argomenti trattati e della qualità dell’esposizione (competenza nell’impiego del lessico specialistico, efficacia, linearità).

The exam consists of an oral test on the topics of the theoretical lessons in which the use of molecular modeling programs illustrated during classroom exercises may be required. The overall evaluation will take into account the critical reasoning ability on the topics covered and the quality of the exposure (competence in the use of specialized vocabulary, effectiveness, linearity).

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Attività di supporto

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Programma

  • Introduzione all’optoelettronica e ai sistemi di comunicazione in fibra ottica.
  • Forma generale dell’operatore hamiltoniano molecolare. Approssimazione di Born-Oppenheimer. Approssimazione LCAO.
  • Molecola di H2+ e molecole biatomiche omonucleari: autovalori ed autofunzioni dell’operatore hamiltoniano, orbitali molecolari leganti ed antileganti.
  • Molecole biatomiche eteronucleari: componente covalente e componente ionica all’energia di legame.
  • Molecole poliatomiche e orbitali atomici ibridi. Polimeri conduttori come esempio di molecola monodimensionale infinita.
  • Soluzione dell’equazione di Schrödinger in cristalli mono-, bi- e tri-dimensionali infiniti in approssimazione LCAO.
  • Definizione di cella elementare e di zona di Brillouin. Calcolo delle bande per semiconduttori di interesse per l’optoelettronica.
  • Semiconduttori a gap diretto ed indiretto. Massa efficace di elettroni e lacune.
  • Finestre di trasmissione in fibra ottica e band-gap engineering. Leghe ternarie e quaternarie di semiconduttori. Strutture a confinamento quantistico (quantum well, quantum wire, quantum dot).
  • Tecniche di crescita epitassiale per la realizzazione di semiconduttori e di eterostrutture per l’optoelettronica (LPE, VPE, MBE, CBE, MOCVD).
  • Teoria della nucleazione e fondamenti di crescita cristallina.
  • Tecniche di caratterizzazione di semiconduttori e di eterostrutture: diffrazione di raggi X ad alta risoluzione, microscopia elettronica, fotoluminescenza, spettroscopie di fotoemissione, diffrazione di elettroni, tecniche basate sulla luce di sincrotrone.

 

 

  • Introduction to optoelectronics and to fiber-optic communication.
  • Molecular Hamiltonian operator. Born-Oppenheimer approximation. LCAO approximation.
  • H2+ and diatomic molecules: eigenvalues and eigenfunctions of the Hamiltonian operator, bonding and antibonding orbitals.
  • Heteronuclear diatomic molecules: covalent and ionic contributions to bond energy.
  • Polyatomic molecules and hybrid atomic orbitals. Conductive polymers as an example of an infinite one-dimensional molecule
  • Solution of the Schrödinger equation in infinite 1D, 2D and 3D crystals in LCAO approximation.
  • Definition of elementary cell and Brillouin zone. Band calculation for semiconductors of interest for optoelectronics.
  • Direct and indirect band gap semiconductors. Effective mass of electrons and holes
  • Fiber optic transmission windows and band-gap engineering. Ternary and quaternary semiconductor alloys. Quantum-confined structures (quantum well, quantum wire, quantum dot).
  • Epitaxial growth techniques for the realization of semiconductors and heterostructures for optoelectronics (LPE, VPE, MBE, CBE, MOCVD).
  • Nucleation theory and fundamentals of crystalline growth.
  • Characterization techniques for semiconductors and heterostructures: high-resolution X-ray diffraction, electron microscopy, photoluminescence, photoemission spectroscopy, electron diffraction, techniques based on synchrotron radiation.

Testi consigliati e bibliografia

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  • Slide presentate a lezione (disponibili sulla pagina web dell’insegnamento).
  • W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica quantistica molecolare, Zanichelli, 2000.
  • Per approfondimenti sulle tecniche di caratterizzazione: G. Agostini, C. Lamberti, Characterization of Semiconductor Heterostructures and Nanostructures, Elsevier Science, 2013.

 

  • Slides presented during the lessons.
  • W. Atkins, R.S. Friedman, Molecular Quantum Mechanics, OUP Oxford, 2011.
  • Further reading about the characterization techniques: G. Agostini, C. Lamberti, Characterization of Semiconductor Heterostructures and Nanostructures, Elsevier Science, 2013.

 



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Orario lezioni

GiorniOreAula
Lunedì11:00 - 13:00Sala Franzinetti Dipartimento di Fisica
Giovedì14:00 - 16:00Sala Franzinetti Dipartimento di Fisica
Venerdì11:00 - 13:00Aula Wick Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 13/01/2020 al 13/03/2020

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Ultimo aggiornamento: 04/06/2020 18:35