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Oggetto:
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Laboratorio di fisica della materia

Oggetto:

Matter Physics Laboratory

Oggetto:

Anno accademico 2020/2021

Codice dell'attività didattica
FIS0094
Docente
Prof. Ettore Vittone (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
008510-104 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
Da definire
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

The course requires a full understanding of the basic concepts of Solid State Physics
Propedeutico a
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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 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 e microscopia elettronica.

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 and electron microscopy.

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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.

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Il giorno 22.04.2021, alle ore 14.00 nella stanza webex

https://unito.webex.com/unito/j.php?MTID=m082d277a93e8eeb89c2fe9feac4338ab

si terrà un incontro in cui verranno fornite informazioni sull'organizzazione del corso

Il corso prevede 22-24 h di lezioni 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 a.a. 2020-2021

 EMERGENZA SANITARIA: L'insegnamento è stato collocato per l'a.a. 2020/21 nel terzo periodo didattico per ovviare alle difficoltà di accesso ai laboratori legate all'emergenza sanitaria.

Nel caso perperdurasse l'emergenza sanitaria, verrà garantita l'erogazione di tutte le lezioni frontali in modalità telematica sincrona, ovvero seguendo una ben definita calendarizzazione delle lezioni stesse nel periodo didattico.

Tali video-lezioni potranno consistere in registrazioni di lezioni in presenza oppure in video-registrazioni prodotte dai docenti in separata sede. In ogni caso, le video-registrazioni saranno successivamente disponibili per lo scaricamento dalla pagina e-learning/moodle del corso. 

Per quanto riguarda le attività in laboratorio, si cercherà di garantire l'erogazione della didattica laboratoriale in presenza compatibilmente con le normative vigenti, ovvero in termini di numero massimo di frequentatori simultanei del laboratorio. Eventuali rimodulazioni della calendarizzazione delle sessioni laboratoriali saranno valutate dai docenti sulla base dei vincoli che saranno imposti all'accessibilità dei laboratori.

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 into working groups (3-4 students) to carry out measurements during the time planned in the calendar of the laboratory sessions.

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

LABORATORY CALENDAR a.y. 2020-2021

 HEALTH EMERGENCY: the course is located in the 3rd teaching period, to overcome problems arisen from the present health emergency.

If the health emergency persists, all lectures will be given online in synchronous mode, i.e. by following the planned timetable of the lectures during the teaching period. The video-lectures will consist of live recordings of the lectures given to the students, or of recordings of lectures given remotely by the teachers. In both cases, the recordings will be downloadable from the e-learning/moodle webpage of the course.

As for the laboratory part of the course, the laboratory sessions in physical presence will be guaranteed, compatibly with the concurrent rules of access to the institute, particularly with regards to the maximum number of students allowed at the same time in the laboratories. Possible modifications to the laboratory sessions timetable will be evaluated by the teachers based on the above-mentioned rules of access.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Nel termine stabilito, i singoli gruppi dovranno consegnare (formato pdf) un rapporto tecnico (relazione) sulle misurazioni svolte. Eventuali ritardi saranno penalizzati in sede di valutazione.

La verifica dell'apprendimento si articolerà in:

A1-Relazione delle attività di laboratorio

Le relazioni saranno valutate al fine di 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.  

B-Valutazione fra pari delle attività di laboratorio

Ad ogni studente verrà richiesta una valutazione di una relazione di una esperienza svolta da un altro gruppo. La valutazione sarà anonima (i.e. il gruppo in esame non conoscerà il nome del valutatore). Alle scadenze descritte qui sotto, lo studente dovrà produrre una valutazione sul lavoro che ha esaminato, sulla base di linee guida fornite dal docente.

A2-Valutazione delle attività svolte in laboratorio

Entro una settimana dalla consegna delle valutazioni di cui al punto B,  i gruppi di lavoro verranno invitati a discutere le relazioni. La discussione verterà sull'analisi della relazione (effettuata dal docente e dagli studenti coinvolti nel punto B), in termini di uso corretto della notazione scientifica, uso corretto del protocollo di misura, adeguata analisi statistica dei dati, risultati ottenuti. La valutazione finale sarà comune a tutti i membri del gruppo. La valutazione ha una validità di 24 mesi.

C-Colloquio

Per accedere alla prova orale e' necessario aver acquisito una votazione sufficiente delle relazioni (punto C). 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. 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 per ogni strudente sarà la media delle valutazioni 

  1. relazione di laboratorio - punto A (valutazione comune a tutto il gruppo)
  2. valutazione fra pari - punto B 
  3. prova orale - punto C

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

entro il 6 giugno 2021

Valutazione fra pari:

la relazione da valutare sarà consegnata agli studenti entro il giorno 11 giugno 2021. La valutazione della relazione, redatta sulla base delle linee guida disponibili alla voce "materiale didattico", dovrà essere consegnata  al docente entro il giorno 17 giugno 2021.

Discussione delle relazioni:

Venerdì 18 giugno 2021

h.8.30 gruppo 1

h.9.00 gruppo 2

h.9.30 gruppo 3

h.10.00 gruppo 4

h. 10.30 gruppo 5

h. 11.00 gruppo 6

h. 11.30 gruppo 7

La discussione avverrà in forma telematica al link Webex

https://unito.webex.com/unito/j.php?MTID=meee0d7100f288ddc7aa685a9d99f3a5e

Prova Orale:

Lunedì 30 giugno 2021 

La prova orale si terrà in presenza a partire dalle ore 11.00 in aula C

Gli studenti che si trovano nelle seguenti condizioni:
1. fragilità 
2. residenza o domicilio fuori regione;
3. assenza temporanea dal territorio regionale per esigenze documentabili
4. presentino delle fragilità di salute o ricadano in una delle condizioni per
cui si è impossibilitati a uscire di casa per quarantena obbligatoria o
cautelativa

Possono chiedere di poter sostenere l'esame in modalità a distanza, compilando questomodulo ed inviandolo ai docenti. le modalità d'esame sono descritte qui sotto.

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

 EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, i docenti adotteranno le modalità di conduzione degli esami per via telematica.  Tali modalità di verifica dell'apprendimento saranno definite in base alle disposizioni emanate dall'Ateneo e/o dal Corso di Studi.

  

 

Within the deadline here below, each group has to deliver in pdf format a technical report on their activities in the laboratory. Any delay will be penalized in the assessment.

The exam is structured as follows: 

A1-Technical reports

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

B-Peer review of the technical report

Each student will be asked to assess a technical report of one measurement carried out by another group. At the deadlines detailed here below, the student has to deliver an assessment of the technical report he/she received, based on the guidelines given by the teacher.

A2-Assessment of the laboratory activities 

Within one week from the peer-report (item B), 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.

C-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 results from the average of the marks obtained in the  above-mentioned exams: 

  1. technical report - item A (common assessment for all the group members)
  2. peer reviewer - item B 
  3. oral exam - item C

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

  • 6 June 2021

Peer review: 

  • 13 June 2021

Discussion of the reports:

  • 18 June 2021 (to be confirmed)   

Oral exam:

  • 21 June 2021 (to be confirmed)

 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.

 HEALTH EMERGENCY: In concurrence with the health emergency, the teachers will adopte the online exam procedure, which will be defined  on the basis of the dispositions of the University of Torino and/or of the Physics Degree council.

 

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Attività di supporto

Verranno organizzati seminari tenuti da esperti nel settore della fisica dei materiali e/o visite presso centri di ricerca nel territorio. Dettagli sono disponibili al sito del gruppo di fisica dello stato solido 

 

 

Seminars will be organized by expert in the field of Physics of Materials and visits will be organized at research centers. More details are available at the solid state physics group website 

 

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Programma

Il programma del corso prevede lezioni frontali propedeutiche alle esperienze in laboratorio (24 h.) ed attività laboratoriale (36 h.) riguardanti i seguenti argomenti:

Tecnologia del vuoto:

  • Introduzione alle tecnologie del vuoto
  • Unità di misura 
  • Regimi in conduzione di bassa pressione
  • Conduttanza
  • Equazioni fondamentali
  •  Velocità effettiva di pompaggio
  • Principi di funzionamento delle pompe da vuoto: pompe rotative, meccaniche, turbomolecolari, ioniche 
  • Principi di funzionamento dei principali vacuometri
  • Introduzione alla misura della velocità di pompaggio in regime di basso vuoto.

Interferometria in luce bianca

  • introduzione alla spettroscopia ottica ed interferometria
  • Misura della trasmittanza e riflettranza di campioni otticamente spessi
  • Misura della trasmittanza e riflettanza di film sottili 
  • Interpretazione degli interferogrami
  • Introduzione alle misurazioni di interferometria in luce bianca; apparato sperimentale.  

Spettroscopia Raman

  • Introduzione alla spettroscopia Raman
  • Apparato sperimentale e casi di studio

Microscopia elettronica a scansione

  • Interazione di elettronic con la materia
  • Introduzione alla microscopia elettronica a scansione
  • Microscopio elettronico a scansione e casi di studio

Spettroscopia fotoelettronica

  • Introduzione alla spettroscopia fotoelettronica
  • Effetto fotoelettrico, effetto Auger, interpretazione di spettri XPS
  • Apparato sperimentale e protocollo di misura 

The course is organized in lectures (24 h), which provide basic information to the experiments to be conducted in laboratory, and measurements (24h), relevant to the following topics: 

Vacuum techniques:

  • Introduction to vacuum techniques 
  • Units
  • Vacuum regimes 
  • Conductance
  • Basic equations 
  • Effective pumping speed 
  • Working principles of vacuum pumps  
  • Working principles of vacuum gauges
  • Measurement of the effective pumping speed in low vacuum regime 

White light interferometry 

  • introduction to the optical spectroscopy and interferometry 
  • Transmittance and Reflectance measurements of thick samples 
  • Transmittance and Reflectance measurements of thin films
  • Interferograms
  • Introduction to white light interferometric measurements; experimental set-up 

Raman Spectroscopy 

  • Introduction to Raman Spectroscopy 
  • Experimental set-up and cases of study 

Scanning electron microscopy 

  • Electron-matter interaction 
  • Introduction to scanning electron microscopy 
  • The scanning electron microscope: the main components and cases of study 

Photoelectron spectroscopy (XPS) 

  • Introduction to the photoelectron spectroscopy 
  • Photoelectric effect, Auger effect, XPS spectra interpretation 
  • Experimental set-up and the measurement protocol  

The detailed program is in the Moodle platform

 

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".

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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Orario lezioni

Lezioni: dal 19/04/2021 al 17/06/2021

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Note

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.

 

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.

 

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Ultimo aggiornamento: 10/06/2021 09:44