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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 2014/2015

Codice dell'attività didattica
MFN1257
Docente
Prof. Domenica Scarano (Titolare del corso)
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali-Indirizzo Industriale
Anno
3° anno
Periodo didattico
Primo semestre
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Fondamenti di fisica classica e quantistica, meccanica quantistica, chimica fisica (struttura atomica, legame chimico, elementi di cristallogafia, principi di teoria delle bande.
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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.
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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.

 Il corso 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.

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.

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Risultati dell'apprendimento attesi

L’allievo 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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Modalità di verifica dell'apprendimento

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.

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 to able to use all the supplied theoretical/experimental tools, to explain the obtained results.

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.

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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, effetto          delle 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 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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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 teacher

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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Note

Tipologia Insegnamento 

Lezioni frontali (32 ore) laboratorio (24 ore), esercitazioni in aula (8 ore)

 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.

Lectures: 32 hours

Laboratory, 24 hours ; exercises 8 hours

The attendance at the lessons is not compulsory. The attendance at the laboratory is compulsory and cannot be less than 70% of the total

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Ultimo aggiornamento: 18/05/2015 10:54
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