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Metodi Spettoscopici e di Microscopia con laboratorio

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Spectroscopy and Microscopy methods with laboratory

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Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
MFN1257
Docenti
Prof. Domenica Scarano (Titolare del corso)
Prof. Elena Clara Groppo (Titolare del corso)
Corso di studio
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Anno
3° anno
Periodo didattico
Primo semestre
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Frequenza alle lezioni facoltativa. Frequenza al laboratorio obbligatoria
Tipologia esame
Orale e relazione laboratorio
Prerequisiti

Fondamenti di fisica classica e quantistica, meccanica quantistica, chimica fisica (struttura atomica, legame chimico, elementi di cristallogafia, principi di teoria delle bande.

Grounding of classical and quantum physic, quantum mechanics, physical chemistry (atomic structure, chemical bond, principles of crystallography, elements of band theory).
Propedeutico a

Propedeutico a corsi avanzati della magistrale che richiedono competenze relative allo studio della struttura, morfologia e proprietà spetroscopiche dei materiali.

Propaedeutic to advanced courses of the subsequent years, which need expertise on the study of structure, morphology and spectroscopic properties of the materials.
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

L’obiettivo è quello di fornire agli studenti, che già conoscono il linguaggio e i fondamenti del legame chimico e della strutturistica, gli strumenti per comprendere, interpretare e prevedere le proprietà dei materiali sulla  base dell’analisi delle loro caratteristiche morfologico-strutturali.

L'insegnamento si propone di fornire agli studenti un’introduzione (teorica e sperimentale) alle spettroscopie fondamentali vibrazionali (IR, Raman) ed elettroniche (UV-vis, luminescenza) applicate a sistemi semplici in   fase omogenea (solida, liquida, gas) ed eterogenea, una introduzione a tecniche microscopiche nuove (AFM) e  più tradizionali (SEM, HRTEM) per la caratterizzazione delle proprietà e della morfologia/struttura dei materiali. Verranno inoltre forniti elementi della teoria dei gruppi per l’interpretazione degli spettri vibrazionali. Lo studente dovrà essere in grado di realizzare semplici esperimenti in laboratorio, comprendere e saper spiegare i risultati ottenuti, avendo acquisito i concetti di base delle spettroscopie fondamentali (IR, UV- vis) e delle tecniche microscopiche (AFM, SEM, HRTEM) utilizzate.

Con tali competenze lo studente sarà in grado di contribuire positivamente al lavoro di un team interdisciplinare che si occupa  della sintesi e caratterizzazione di materiali e, sotto la guida di figure professionali più esperte, potrà realizzare processi, analisi o prodotti innovativi.

The aim is to provide the students, that already know the language and the rudiments of the chemical bond and of the structuristics, with some tools to understand, to interpret and to predict the properties of the materials, stating from the analysis of their morphology and structure.
The course will introduce the students: 1)to the theoretical and experimental grounding of (IR and Raman)vibrational and(UV-visible, luminescence) electronic spectroscopies, applied either to homogeneous phases(solid, liquid and gaseous systems)and to eterogeneous phases; 2) to new (AFM) and more conventional (SEM, HRTEM) microscopies to characterize the properties and the structure/morphology of the materials.
In order to assign the vibrational spectra, some elements of group theory will be given. On these bases, the student will be able to made simple experiments, to understand and to explain the obtained results.

In addition, the student will be able to contribute within an interdisciplinar group, to the synthesis and characterization of the materials, and under the supervision of  experts he will be able to perform processes, analyses or new products.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Lo studente dovrà essere in grado di saper:

- conoscere le modalità di acquisizione di semplici esperimenti di spettroscopia (IR,  UV-Visibile);
- interpretare gli spettri roto-vibrazionali di molecole in fase gas, gli spettri vibrazionali di liquidi e solidi, gli spettri vibrazionali di sistemi in fase eterogenea gas-solido, gli spettri elettronici di solidi (sali inorganicie semiconduttori);
- analizzare le immagini ottenute con microscopie AFM, SEM e HRTEM al fine di correlare morfologia e struttura con le proprietà dei materiali.

The student should be able:

- to made simple experiments of vibrational (IR) and electronic (UV-Visible) spectroscopies;

- to intepret roto-vibrational spectra of gas phase molecules, vibrational spectra of liquid and solid phase systems,vibrational spectra of gas -solid eterogenous systems,electronic spectra of solid systems (inorganic salts and semiconductors);

-to analize images obtained from AFM,SEM,TEM microscopies, in order to correlate morphology/structure of the materials with their properties.

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Programma

Introduzione alle spettroscopie rotazionali IR e Raman: rotatore sferico e cenni al rotatore lineare, analisi degli spettri rotazionali. Spettroscopia vibrazionale e roto-vibrazionale, regole di sezione, modi normali di vibrazione nelle molecole. Richiami di teoria dei gruppi. Modalità di misura di spettri roto vibrazionali: strumentazione e modalità operative.

Acquisizione di spettri IR rotovibrazionali di molecole in fase gas e spettri IR vibrazionali di sistemi in fase condensata (idrocarburi saturi ed insaturi, sali inorganici) e di sistemi eterogenei: solido-gas.

Introduzione alle spettroscopie elettroniche (UV-Vis): assorbimento, emissione, riflessione, diffusione in    molecole e solidi. Tipi di transizioni elettroniche, origine del colore in complessi di metalli di transizione e    nelle molecole organiche; centri di colore; cenni alla teoria del campo cristallino; transizioni in materiali con   struttura a bande: metalli e semiconduttori, coefficiente di assorbimento per transizioni dalla banda di valenza a quella di conduzione in semiconduttori. Meccanismi di diseccitazione di stati eccitati elettronicamente (fluorescenza, fosforescenza e dissociazione). Fosfori. Laser: cavità e caratteristiche modali. Esempi di laser in fase solida, gas, chimici, ad eccimeri, a coloranti, a semiconduttore.

Acquisizione di spettri elettronici UV-visibile di: ossidi, semiconduttori, (determinazione di energy gap, effettodelle dimensioni delle particelle e del drogaggio sulle transizioni elettroniche); sali inorganici (bande di trasferimento di carica metallo-legante e viceversa, effetto del tipo di reticolo sulle transizioni elettroniche del catione, origine del colore in sali con elementi di transizione); sistemi eterogenei: solido-gas.

Elementi di microscopie a sonda (SPM) e scansione elettronica (SEM). Acquisizione di immagini e analisi   della morfologia di materiali con AFM,  SEM e HRTEM.

Introduction to IR and Raman rotational spectroscopies: spherical rotator and mention of symmetric and linear rotators; analysis of rotational spectra. IR vibrational and roto-vibrational spectroscopy: selection rules, vibration normal modes of molecules. Principles of groups theory.
Acquisition methods of IR spectra; components of IR and Ramanspectrometers.
Acquisition of IR rotovibrational spectra of gas molecules and vibrational spectra of systems in condensed phases (saturated and unsaturated hydrocarbons, inorganic salts) and heterogeneous systems (gas-solid interaction).
Introduction to the electron spectroscopies: UV-visible: absorption, emission, reflection for molecules and solids. Types of electronic transitions; origin of colour in metal ions complexes and in organic molecules; colour centers; principles on the crystalline field theory; transition in materialswith band structure: metals and semiconductors; absorption coefficient of transitions from valence band to conduction band in semiconductors.
Processses of deexcitation of electron excited states (fluorescence, phosphorescence and dissociation). Phosphors. Lasers: cavity and modal features. Examples of lasers: solid phase lasers, gas phase lasers, chemical lasers, excimers lasers, dyes lasers, semiconductor lasers.
Acquisition of UV-visible spectra of: oxides; semiconductors (evaluation of energy gap, effect of particle sizes and doping on electron transitions); inorganic salts (metal-ligand charge transfer bands, effect of the nature of the network on electron transitons of cations, origin of the colour in transition metal containing salts); heterogeneous systems: gassolid interactions.
Principles of scanning probe (SPM) and scanning electron (SEM) microscopies. Acquisition of images and analysis of material morphology by means of AFM, SEM and HRTEM.

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Modalità di insegnamento

L'insegnamento prevede lezioni frontali per un totale di 4 CFU (32 ore) e una parte laboratoriale  di 2 CFU (32 ore). Le lezioni non sono obbligatorie ma fortemente consigliate al fine di una migliore comprensione delle attività laboratoriali, che invece sono obbligatorie. La frequenza al laboratorio non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

The course is based on frontal lessons for a total of 4 CFU (32 hours) and an experimental lab of 2CFU (32 hours). The lessons are not compulsory, but highly recommended to better understand the laboratories experiences, that on the contrary are compulsory.The participation to the laboratory is mandatory for at least 70% of the time devoted to laboratory activities.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica delle conoscenze acquisite avverrà mediante un colloquio che prevede la discussione di una relazione, basata sulla raccolta e commento di tutti gli esperimenti effettuati. Lo studente deve dimostrare di avere acquisito una comprensione globale della materia e di essere in grado di utilizzare gli strumenti teorici e pratici forniti, al fine di comprendere le esperienze condotte in laboratorio. L’esame prevede: una valutazione in trentesimi.

The examination of the acquired knowledge will be made through the discussion of the report containing the collection and explanation of all the experiments, carried out in laboratory. The student has to show his whole comprehension of the subject and his ability to use all the supplied theoretical/experimental tools, to explain the obtained results. The valutation will be made in thirtieths.

 

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Testi consigliati e bibliografia

- dispense fornite dai docenti disponibili sul sito

- P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli 2004

- D.A. McQuarrie, J.D.Simon,Chimica fisica-un approccio molecolare

Lecture notes of the teachers available on the website

P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli ed. starting from 2004 edition
D.A. McQuarrie, J.D.Simon,Physical Chemistry: a molecular approach.

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Orario lezioniV

Lezioni: dal 01/10/2018 al 18/01/2019

Nota: Sede lezioni e laboratorio - Centro della Inovazione- Via Quarello 15/A

Per l'orario dettagliato delle lezioni consultare la pagina "Orario Lezioni"
http://stmateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl

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    Ultimo aggiornamento: 31/05/2019 11:00
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