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Oggetto:
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Laboratorio di fisica della materia

Oggetto:

Material Physics Laboratory

Oggetto:

Anno accademico 2015/2016

Codice dell'attività didattica
MFN0827
Docenti
Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)
Prof. Ferruccio Balestra (Titolare del corso)
Corso di studi
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
008510-102 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 dell'attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Obbligatoria
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Il corso richiede una piena comprensione dei concetti di base di Fisica dello Stato Solido
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

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 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 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.

Oggetto:

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 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 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.
Oggetto:

Modalità di insegnamento

Il corso prevede 24 h di lezioni in aula in cui verranno introdotte le tecniche sperimentali, i protocolli sperimentali ed i modelli interpretativi e 32 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.

The teaching is organized in

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

32 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 compulsory.
The participation to the ithe laboratory is  mandatory for at least 70% of the time devoted to laboratory activities

Oggetto:

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.

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.

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

 Il calendario delle sessioni d’esame è riportato nella piattaforma ESSE3. 

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 three parts:

 Laboratory reports:

 This exam is aimed to verify the student abilities to properly use the instrumentation and data analysis techniques for the 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.

 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.
Extraordinary 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.

 

Oggetto:

Attività di supporto

Possibili visite a laboratori di ricerca presenti nel territorio (e.g. Quantum Research Laboratory - INRiM).

Oggetto:

Programma

 

CALENDARIO LEZIONI FRONTALI

Mar. 22.09.2015;

h. 14-16,Aula D

Prof. E. Vittone: introduzione alla spettroscopia di fotomemissione indotta da raggi x (XPS)

Mer. 23.09.2015;

h. 14-16, Aula Avogadro

Prof. E. Vittone: Strumentazione per XPS

Gio. 24.09.2015;

h. 14-16, Aula Avogadro

Prof. E. Vittone: Analisi degli spettri XPS;

Lun.28.09.2015;

h. 14-16, Aula Avogadro

Prof. E. Vittone: Introduzione alla spettroscopia Raman.

Mar. 29.09.2015;

h. 14-16, Aula D

Prof. E. Vittone: Apparato sperimentale della spettroscopia Raman.

Introduzione alla interferometria in luce bianca

Lun. 05.10.2015;

h. 14-16, Aula Avogadro

Prof. E. Vittone: Misura di trasmittanza e riflettanza di film sottili e film spessi

Mar. 06.10.2015;

h. 14-16, Aula D

Prof. E. Vittone: Misura di trasmittanza e riflettenza film sottili; Apparato sperimentale per l'interferometria in luce bianca.

Mer. 07.10.2015;

h. 14-16, Aula Avogadro

Prof. E. Vittone: metodi di analisi dell'interferogramma.

Lun. 12.10.2015;

h. 14-16, Aula Avogadro

 

Prof. F. Balestra: Introduzione al concetto di vuoto. Importanza della tecnologia del vuoto. Teoria cinetica: distribuzione maxwelliana velocità; frequenza di uri tra le molecole; frequenza di urti sulle superfici; libero cammino medio e regime molecolare. Fenomeni fisici di base per la tecnologia del vuoto: Conducibilità termica; viscosità; diffusione; evaporazione e condensazione. Interazione gas supeficie: adsorbimento e desorbimento.

Mar. 13.10.2015;

h. 14-16, Aula D - 

Prof. F. Balestra: Flusso di gas ; volumetrico e massivo. Regimi di flusso. Conduttanza ed impedenza. Conduttanza di piccola apertura, conduttaza canalizzazione cilindrica. Sistemi da vuoto. Velocità di pompaggio: intrinseca e effettiva. Equazione del pompaggio: con e senza generazione di gas. Esempi.

Mer. 14.10.2015;

h. 14-16, Aula Avogadro

Prof. F. Balestra: Misura della velocità di pompaggio: metodo volumetrico. Equazione del pompaggio: caso di velocità della pompa variabile con la pressione. Produzione del vuoto. Principali tipi di pompe: rotative;scroll;roots;turbomolecolari;a diffusione

Lun. 19.10.2015;

h. 14-16, Aula Avogadro

Prof. F. Balestra: Pompe: getter; pompe ioniche; ad adsorbimento; criogeniche. Misura del Vuoto. Principali tipi di vacuometri: Bourdon; a membrana;capacitivi; a conducibilità termica; a ionizzazione.

 

 

 
Gli studenti sono suddivisi in 5 gruppi, su 6 postazioni di lavoro:

XPS: 1 postazione;      interferometria ottica: 2 postazioni;       Vuoto: 2 postazioni;    Raman: 1 postazione


 CALENDARIO ATTIVITA' IN LABORATORIO

Consegna delle relazioni di laboratorio: venerdì 27 novembre 2015.

Composizione dei gruppi

 

Schedule of Classes

Tue. 22.09.2015;

h. 14-16, Room D

Prof. E. Vittone:  introduction to x-ray photoemission spectroscopy (XPS).

Wed. 23.09.2015;

h. 14-16, Room Avogadro

Prof. E. Vittone: Instrumentation for XPS

Thu. 24.09.2015;

h. 14-16, Room Franzinetti

Prof. E. Vittone: XPS spectral analysis. Introduction to optical spectroscopy and interferometry

Mon.28.09.2015;

h. 14-16, Room Avogadro

Prof. E. Vittone: Raman Spectroscopy: an introduction

Tue. 29.09.2015;

h. 14-16, Room D

Prof. E. Vittone: Raman spectrometers

Mon. 05.10.2015;

h. 14-16, Room Avogadro

Prof. E. Vittone: Introduction to optical spectroscopy and interferometry

Tue. 06.10.2015;

h. 14-16, Room D

Prof. E. Vittone: Transmittance and reflectance measurements of thick samples by with light interferometry

Wed. 07.10.2015;

h. 14-16, Room Avogadro

Prof. E. Vittone: Methods to analyse interferograms

Mon. 12.10.2015;

h. 14-16, Room Avogadro

 

Prof. F. Balestra: Introduction to vacuum technique. Definition; kinetic theory, ideal gas equation, Maxwel distribution of velocities; pressure and temperature, molecular scattering; mean free path, molecular regime.

Tue. 13.10.2015;

h. 14-16, Room D - 

Prof. F. Balestra: Real gas equation; Viscosity, thermal conductivity, diffusion, evaporation and condensation.

Wed. 14.10.2015;

h. 14-16, Room Avogadro

Prof. F. Balestra: Gas-surface interaction; adsorption, desorption. Fas flows in tubes; volumetric and mass flow; Conductivity and impedance. Flow regimes: viscous, mixed and molecular. Knudsen and Reynolds numbers. Simple examples of conductance in a long tube in laminar regime and in molecular regime

Mon. 19.10.2015;

h. 14-16, Room Avogadro

Prof. F. Balestra: Conductance of a short and long cylinder in molecular regime. Elements in a vacuum system. Pumping equation and velocity. Solution of equations without and with leakages. A method to measure the pumping velocity. Vacuum techniques: rotary pumps, diffusion, getter, adsorption, cryogenic pumps. Vacuum gauges: Bourdon . capacitive capacitivi. Heat transfer, ionization vacuum gauges.

 The students are organized in 5 groups, which will work on 6 workstations 

XPS: 1 workstation;  Optical spectroscopy: 2 workstations; Vacuum: 2 workstations; Raman Spectroscopy: 1 workstation

 Timetable of the laboratory availability 

Deadline for the submission of the final report: friday November 27th, 2015. 

 

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

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".

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

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



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Orario lezioni

GiorniOreAula
Lunedì14:00 - 16:00Aula Avogadro Dipartimento di Fisica
Martedì14:00 - 16:00Aula D Dipartimento di Fisica
Mercoledì14:00 - 16:00Aula Avogadro Dipartimento di Fisica
Lezioni: dal 22/09/2015 al 20/10/2015

Nota: Dopo il 20.10 le lezioni proseguiranno in laboratorio fino al 20/11/2015.
Giovedì 24/9 lezione dalle 14 alle 16 in aula Franzinetti

Oggetto:

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 VENERDI' 27.11.2015

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Ultimo aggiornamento: 21/10/2015 19:38
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