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Oggetto:
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Chimica Fisica dei Materiali con laboratorio (attivo dall'a.a. 2013/2014)

Oggetto:

Anno accademico 2012/2013

Codice dell'attività didattica
MFN1259
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali-Indirizzo Industriale
Anno
3° anno
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

L’obiettivo è quello di mettere in grado studenti, che già conoscono il linguaggio e i fondamenti del legame chimico, delle spettroscopie, della termodinamica e della strutturistica, di comprendere, interpretare e prevedere le applicazioni tecnologiche avanzate di diversi materiali solidi alla luce delle loro proprietà  morfologiche, strutturali, elettroniche, magnetiche, dielettriche ed ottiche.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Lo studente dovrà essere in grado di: descrivere e interpretare le proprietà elettriche, ottiche, magnetiche, di superficie e catalitiche di materiali solidi di diversa natura. Dovrà inoltre 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 (SEM, HRTEM) utilizzate.

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Programma

Introduzione alle teorie elettroniche dei solidi: superamento dei problemi e limiti del modello dell'elettrone libero, considerazioni su periodicità, condizioni di diffrazione e zone di Brillouin, enunciato del Teorema di Bloch e loro conseguenze. Modello a bande  semplificato di Kronig-Penney: derivazione,  conseguenze, distinzione tra metalli, isolanti e semiconduttori con  illustrazione della forma delle bande in alcuni casi esemplari. Relazione tra proprietà macroscopiche dei materiali e la loro struttura elettronica.

Semiconduttori: dalla descrizione in termini della teoria delle bande alla ionizzazione termica delle impurezze nei semiconduttori estrinseci; esempi di semiconduttori, difettivi e per impurezza, loro assorbimenti caratteristici:  assorbimento fondamentale diretto e indiretto, assorbimento da parte di difetti e impurezze, da parte di portatori liberi di carica, eccitonico, reticolare, esempi. Metodi di fabbricazione ed applicazioni,  giunzioni p-n e loro applicazioni

Difetti di stechiometria nei solidi: introduzione, termodinamica delle fasi non stechiometriche, calcolo della pressione necessaria per avere una certa deviazione dalla stechiometria per un dato disordine intrinseco. Range di esistenza delle fasi non stechiometriche, ordinamento di difetti con o senza segregazione di nuove fasi, esempi ed applicazioni di composti non stechiometrici.

Proprietà dielettriche ed ottiche dei materiali. Costante e funzione dielettrica per isolanti in campi statici e alternati, profondità di penetrazione e riflettività.  Teorie per l’interpretazione delle proprietà ottiche dei metalli ed esame di alcuni esempi di spettri ottici di metalli puri. Proprietà ottiche di piccole particelle metalliche messe a confronto con i metalli massivi, frequenza di risonanza plasmonica. Illustrazione di esempi. Applicazioni delle proprietà ottiche dei materiali: conversione fototermica e fotovoltaica dell’energia solare.

Piccole particelle metalliche supportate utilizzate come catalizzatori: effetti dovuti a piccole dimensioni, morfologia, interazione con il supporto; esempi di applicazioni: nelle reazioni di  produzione e purificazione di H2 per l’alimentazione di celle a combustibile (elementi costitutivi e principi di funzionamento), in dispositivi per l’abbattimento degli inquinanti emessi da motori a combustione interna  (marmitte catalitiche, principi di funzionamento).

Superconduzione: proprietà fenomenologiche, effetto isotopico in superconduttori a bassa temperatura critica (TC) a base di metalli e leghe. Teoria BCS per superconduttori a bassa TC. Ossidi cuprati difettivi come superconduttori ceramici ad alta TC: relazioni struttura proprietà elettriche, collegamento tra deviazione dalla stechiometria e variazione TC. Fallimento teoria BCS e possibili interpretazioni del fenomeno. Applicazioni.

Introduzione alla proprietà magnetiche dei materiali, approccio classico e fenomenologico, diamagnetismo, paramagnetismo. Tipi di materiali che presentano ordine magnetico, ferromagnetismo, antiferromagnetismo, ferrimagnetismo. Cenni ad un approccio quantomeccanico.

Esperienza di laboratorio tramite microscopia elettronica, spettroscopia FT-IR e UV-Vis in riflettanza diffusa su di un campione a base di nanoparticelle metalliche supportate su di un ossido semiconduttore micro/nano cristallino: determinazione dell’energy gap del semiconduttore, dell’effetto di eventuale difettosità sulla sua posizione, evidenza spettroscopica e microscopica della presenza di nanoparticelle metalliche, e loro effetto sulla reattività superficiale del campione nei confronti di molecole in fase gassosa...

 

Introduction to the electronic theories  of solids: overcoming of the free electron model problems and limits taking in account periodicity, diffraction conditions and Brillouin  zones, Bloch theorem and their consequences.  Simplified Kronig-Penney band model: derivation, results, structure and shape of the energy bands of metals, insulator and semiconductors. Relationships between the macroscopic properties of the materials and their electronic structure.

Semiconductors: intrinsic and estrinsic behaviour through the band theory description, Fermi level position and thermal ionisation of impurities. Description of  impurity and defective semiconductor cases and of their typical absorptions: direct and indirect fundamental absorption,  absorptions by impurities and defects, by free charge carriers, by excitons and lattice with examples. Semiconductor manufacturing and applications, p-n junctions.

Stoichiometry defects on solids: introduction, thermodynamics of nonstoichiometric phases, relationship between non-stoichiometry, gas pressure of volatile components and intrinsic defectivity. Range of composition of nonstoichiometric phases, ordering of defects and new phases segregation. Applications of nonstoichiometric compounds.

Dielectrical and optical  properties of materials. Dielectric constant and function for insulators in static and alternating fields, penetration depth and reflectivity.  Theories for metals and analysis of some optical spectra of pure massive metals, comparison with optical properties of small metal particles, plasmon resonance frequency. Applications of materials optical properties: photothermic and photovoltaic conversion of solar energy.

Piccole particelle metalliche supportate utilizzate come catalizzatori: effetti dovuti a piccole dimensioni, morfologia, interazione con il supporto; esempi di applicazioni: nelle reazioni di  produzione e purificazione di H2 per l’alimentazione di celle a combustibile (elementi costitutivi e principi di funzionamento), in dispositivi per l’abbattimento degli inquinanti emessi da motori a combustione interna (marmitte catalitiche, principi di funzionamento).

 Small supported metallic particles as catalysts: effects due to the small size, to the morphology, to the interaction with the support; some application examples: in the production and purification of hydrogen for fuel cell feeding (constructing and working elements), in the pollutant abatement devices for internal combustion engines (catalytic converters, working elements).

Superconductivity: phenomenological properties, isotopic effect  in low critical temperature (TC) superconductors, metal and alloy based. BCS theory for low TC superconductors. Defective cuprate oxides  high TC ceramic superconductors: structure-electrical properties relationship, stoichiometry deviation and TC value, BCS theory failure, quest for other models. Applications.

 Introduction to magnetic properties of materials: classic and phenomenological approach, diamagnetism, paramagnetism. Materials showing magnetic order: ferromagnetism, antiferromagnetism, ferrimagnetism. Mentions to a quantummechanical approach.

Laboratory experience  trough electron  microscopy, FT-IR spectroscopy and diffuse reflectance UV-Vis on  a metal nanoparticle sample supported on a  micro/nano cristalline semiconducting oxide: how obtaining the semiconductor energy gap and evaluating effect of the defectivity on its position,  spectroscopic and microscopic evidences of the presence of metal nanoparticles, their effects on the sample surface reactivity towards gas phase molecules...

 

Testi consigliati e bibliografia

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-P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli e il materiale usato a lezione scaricabile dal sito



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Note

Tipologia Insegnamento 

Lezioni frontali, laboratorio a piccoli gruppi

Modalità dell'esame 

L'esame si svolge, di norma, con un colloquio orale sugli argomenti affrontati nelle lezioni, eventualmente a partire dalla presentazione e discussione approfondita di uno degli argomenti oggetto del corso, a scelta dello studente.

Per quanto concerne la parte più tipicamente di laboratorio, lo studente dovrà  preparare una relazione, che potrà essere scritta o in forma di presentazione Power Point, basata sulla raccolta e commento delle esperienze effettuate in laboratorio, che dimostri il livello di comprensione raggiunto.

Propedeuticità  

Buone basi di fisica, chimica inorganica  e chimica fisica (struttura atomica, legame chimico, termodinamica e termochimica, elementi basilari di cristallogafia, principi di teoria delle bande, introduzione alle tecniche spettroscopiche vibrazionali ed elettroniche).

Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

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Ultimo aggiornamento: 29/05/2013 16:32