Chimica fisica b

A.A. 2020/2021
9
Crediti massimi
96
Ore totali
SSD
CHIM/02
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
L'insegnamento propone agli studenti una esposizione sistematica dei concetti fondamentali dello stato solido della materia e delle sue proprieta', con l'obiettivo di fornire una solida base per la comprensione della vasta e variegata fenomenologia che accompagna la materia allo stato solido, che possa essere di aiuto per razionalizzare le proprieta' strutturali, microstrutturali, termiche, ottiche e di trasporto dei materiali.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente acquisira' padronanza con il concetto di struttura a bande e sua relazione con i fenomeni ottici e di trasporto elettronico. Comprendera' i diagrammi delle transizioni di fase nei solidi e la loro reattivita' in relazione alla termodinamica dei difetti. Verra' a conoscenza ed utilizzera' le tecniche di indagine più comuni, quali diffrazione da polveri, calorimetria, EPR, Spettroscopia di impedenza, Microscopia Elettronica.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
La didattica in condizioni di emergenza sanitaria sarà erogata in modo preferenzialmente sincrono, se compatibile con le altre attività previste dal corso di laurea in queste condizioni, attraverso la piattaforma Zoom. Le lezioni saranno comunque registrate e messe a disposizione degli studenti come files .mp4 sulla piattaforma Ariel, dove verranno fornite tutte le indicazioni e il materiale didattico tipicamente fornite con il corso (slides, note e spiegazioni come .pdf files). In alternativa, le lezioni saranno registrate separatamente e postate sulla stessa piattaforma, anche in formato Powerpoint commentato. Allo stesso modo, in caso di emergenza sanitaria, l'esame scritto verrà svolto on-line sulla piattaforma exam.net, con l'ausilio di un meeting Zoom. L'esame orale sarà invece svolto con l'ausilio della piattaforma Zoom o Mircorsoft Teams.
Programma
Semplici modelli di metalli. Modello di Drude: conducibilità DC e AC, magnetotrasporto e effetto Hall, conducibilità termica, termopotenza. Modello di Sommerfield: sfera di Fermi, densità degli stati; energia, pressione ed entropia del gas quantistico di elettroni liberi. Statistica di Fermi-Dirac: funzione di partizione gran-canonica, funzione di Fermi, espansione di Sommerfield.

Struttura cristallina. Reticoli, vettori di base e celle unitarie. Reticoli di Bravais. Reticolo reciproco. Piani reticolari, indici di Miller. Studio delle strutture cristalline: diffusione Thomson, diffrazione di raggi X, leggi di von Laue e di Bragg, fattore di struttura.

Elettroni in potenziali periodici. Teorema di Bloch, funzioni di Bloch, bande di energia. Metodo tight-binding e applicazione a sistemi modello: catene lineari, materiali bi- e tri- dimensionali. Distorsione di Peirls. Struttura elettronica del grafene: coni di Dirac, fermioni chirali.

Dinamica elettronica semiclassica. Pacchetti d'onda, principio di indeterminazione, equazioni di moto semiclassiche, funzione di distribuzione nello spazio delle fasi. Proprietà fondamentali: inerzia delle bande piene, elettroni e buche, tensore di massa efficace, teoria di Drude-Boltzmann, trasporto DC e AC. Conducibilità ottica. Trasporto diffusivo e trasporto balistico. Sistemi disordinati.

Semiconduttori. Densità di portatori di carica in equilibrio termico, legge di azione di massa, potenziale chimico. Drogaggio di tipo p e drogaggio di tipo n. Semiconduttori eterogenei: giunzione p-n, profilo di potenziale, corrente. Interfacce: semiconduttore/metallo, etero-strutture di semiconduttori, quantum wells. Delta doping e drogaggio remoto. Gas elettronico bidimensionale e gating electrostatico. Superfici e Fermi level pinning.

Fononi. Modi normali, meccanica statistica di oscillatori armonici. Curve di dispersione fononica, fononi acustici e fononi ottici. Capacità termiche fononiche, modello di Einstein e modello di Debye. Conducibilità termica, scattering fonone-fonone.

Diagrammi di Fase: sistemi a uno o due componenti con formazione di composti intermedi e soluzioni solide parziali e complete. Transizioni di Fase dai punti di vista termodinamico e strutturale. Cinetica delle transizioni di Fase.

Difetti e Reattività. Difetti puntuali nei solidi, diffusione di materia e di carica. Mmeccanismi all'origine della reattività in fase solida.
Tecniche di Indagine delle proprietà dei solidi: XRPD, SEM/EMPA, TEM/EELS, AFM, EPR, IS, UV, DSC.
Prerequisiti
"Chimica Quantistica" e "Metodi matematici applicati alla chimica" (o corsi simili che forniscono nozioni di base di meccanica quantistica e matematica) sono fortemente consigliati.
Metodi didattici
Il corso si articola in lezioni frontali alla lavagna. Il laboratorio si svolge sia nei locali dei laboratori didattici sia in laboratori di ricerca dove sono posizionate le apparecchiature coinvolte.
Materiale di riferimento
Libri di testo:

- N. W. Ashcroft and D. N. Mermim, Solid State Physics, Saunders College Publishing
- T. Ihn, Semiconductor Nanostructures, Oxford University Press,
- Anthony R. West, Solid State Chemistry and its applications Wiley India

Note delle lezioni saranno fornite su richiesta.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Prerequisito per accedere all'esame è l'elaborazione di una Relazione sulle prove effettuate in Laboratorio. L'esame consiste in un scritto di 3 ore di durata, nel quale sono posti due quesiti a risposta aperta su argomenti trattati nel corso e due semplici esercizi numerici volti a stabilire il grado di comprensione del corso. Lo scritto è seguito da una parte orale incentrata sulla discussione critica della relazione di laboratorio e degli argomenti ad essa connessi.
CHIM/02 - CHIMICA FISICA - CFU: 9
Esercitazioni: 16 ore
Laboratori: 32 ore
Lezioni: 48 ore
Docente/i
Ricevimento:
Ala Sud, Dipartimento Chimica Fisica ed Elettrochimica, R 12 N
Ricevimento:
Dal lunedì al giovedì, ore 9.00-17.00 previo appuntamento via email
Videoconferenza da remoto