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Oggetto:
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Materiali per l'optoelettronica

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Materials for Optoelectronics

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Anno accademico 2020/2021

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
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

Conoscenza e capacità di comprensione

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà conoscere:

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

 

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito autonomia di giudizio utile ad applicare criticamente le tecniche modellistiche e sperimentali presentate a casi reali. Dovrà, quindi, essere in grado di individuare il più opportuno approccio modellistico e/o sperimentale per studiare le proprietà fisiche di interesse per una specifica applicazione tecnologica.



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

L'insegnamento prevede 48 ore di lezioni teoriche e esercitazioni che prevedono l’uso di programmi di modellistica molecolare. Il corso si svolgerà con modalità interattive volte a stimolare il coinvolgimento degli studenti. Dato il perdurare della situazione emergenziale legata all'epidemia Covid-19, l'insegnamento verrà svolto in modalità sincrona tramite Webex (i link per accedere alle diverse sessioni Webex saranno disponibili in un file caricato sulla piattaforma Moodle dell'insegnamento, accessibile tramite l'apposita icona al fondo di questa pagina). Le registrazioni delle lezioni saranno rese disponibili agli studenti sulla piattaforma Moodle.

 

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.

 



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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. 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).

Sino al termine dell'emergenza legata al Covid-19, gli esami si terranno a distanza tramite la piattaforma Webex.

The exam consists of an oral test on the topics of the theoretical lessons in which the use of molecular modeling programs 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 - 13:00
Giovedì14:00 - 16:00
Venerdì11:00 - 13:00

Lezioni: dal 11/01/2021 al 12/03/2021

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Ultimo aggiornamento: 07/01/2021 13:07