FISICA DEI MATERIALI
A. A. 1996-97
Prof. Antonio Miotello
Oggetto e obiettivi del corso
Il corso di FISICA DEI MATERIALI si e' proposto di fornire allo studente gli
strumenti necessari per poter affrontare lo studio di quella branca della
fisica che si occupa delle proprieta' dei materiali di carattere innovativo
e la cui conoscenza non e' ancora cosi' consolidata da far gia' parte
di testi di fisica dei solidi. Per realizzare questo obiettivo si e' reso
necessario un approfondimento di elementi di termodinamica e di
meccanica statitistica nonche' di alcune equazioni differenziali appropriate
per lo studio di problematiche relative al trasporto.
Allo studente si sono inoltre forniti gli elementi base per la comprensione
dei processi su cui si fondano le tecniche analitiche piu' utilizzate nei
moderni laboratori di scienza dei materiali. E' stata parte integrante del
corso una attivita' guidata nei laboratori di sintesi e di caratterizzazione
sia composizionale che strutturale di materiali innovativi sotto forma di
film sottili.
Argomenti effettivamente svolti
- ASPETTI TERMODINAMICI
- I principi della termodinamica e la loro importanza nello studio della
fisica dei materiali. Il terzo principio della termodinamica e il calore
specifico a T=0. Utilizzo della meccanica quantistica per risolvere il
problema del calore specifico a T=O.
Termodinamica delle transizioni di fase ed esempi di transizioni del I e del
II ordine.
Utilizzo di dati termodinamici (le tabelle termodinamiche e il loro uso
ad esempio per la determinazione delle tensioni di vapore in ossidi).
Calcolo della costante di reazione chimica a partire dalla funzione di
partizione delle molecole (o atomi) coinvolti nella reazione.
- diagrammi di fase e costruzione dei diagrammi di fase a partire
dall'energia libera di Gibbs (e viceversa). Intervalli proibiti di
miscibilita' nei diagrammi di fase e loro spiegazione sulla base dei valori
dell'entalpia e dell'entropia di mixing.
Genesi microscopica dell'entalpia di mixing positiva e l'esempio della
miscela He(3)-He(4).
- Segregazione di Gibbs: peculiarita' della fisica degli strati atomici
della superficie di un solido rispetto agli strati di bulk.
- ASPETTI STRUTTURALI
- reticolo di Bravais e reticolo reciproco.
- Conseguenze del teorema di Bloch e delle equazioni semiclassiche del moto.
Teorema di Liouville e teorema di Green per funzioni periodiche nello
spazio-k. Classificazione dei solidi: isolanti, semiconduttori e metalli;
casi insoliti in cui si hanno regimi di superconduttivita' oppure di
conducibilita' metallica. I principali aspetti sperimentali dei materiali
superconduttori. Aspetti termodinamici della transizione fra stato normale
e stato superconduttore. Il calore specifico dei superconduttori.
- difetti nei solidi: tipi, formazione e correlazione con T_m,
teorie (della formazione). Difetti di punto e difetti estesi.
- ASPETTI RELATIVI AL TRASPORTO
- diffusione di volume per: atomi, difetti puntuali, elettroni,energia termica.
Descrizione con modelli macroscopici della diffusione.
Equazioni di carattere fenomenologico (Fick, Fourier, Ohm) e loro genesi
microscopica. Cammino quadratico medio e coefficiente di diffusione.
Aspetti microscopici del coefficiente di diffusione di atomi in solidi.
Caratteristiche del moto aleatorio in un solido, frequenza di salto,
fattore di correlazione (e tecniche sperimentali per la sua determinazione).
Diffusione ai bordi grano e alla superficie di un solido. Viscosita' e
coefficiente di diffusione.
- ASPETTI MECCANICI
- modulo di Young; compressione, tensione
- espansione termica
- METODI DI ANALISI
- Aspetti generali delle tecniche di analisi dei materiali in relazione
all'interazione radiazione-materia. Sezione d'urto per vari tipi di
interazione e determinazione sperimentale di tale quantita'. Teorie per
il calcolo della sezione d'urto. Potenziali di interazione particella-atomo
e i potenziali schermati.
Tecniche di analisi nucleari: Rutherford Backscattering e Nuclear Reaction
Analysis
- Tecniche di analisi spettroscopiche: Auger Electron Spectroscopy (AES),
Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) e X-ray Photoelectron Spectroscopy
(XPS).
Il problema dello sputtering associato alle tecniche di superficie
(AES,XPS,SIMS). Teoria dello sputtering: perdita di energia, di una
particella incidente su un bersaglio, per collisioni nucleari e per
interazione anelastica con gli elettroni. Dipendenza della resa di sputtering
da quantita' quali energia di legame alla superficie, massa degli atomi del
bersaglio e della particella incidente. Il problema dello sputtering
preferenziale e sua descrizione per un utilizzo corretto delle tecniche
di superficie. Uso della tecnica XPS per lo studio dei legami chimici.
I fenomeni di caricamento nei dielettrici e accorgimenti sperimentali per
isolare tali fenomeni.
- ESPERIENZA DI LABORATORIO:
- Deposizione mediante tecnica di "Ion-beam assisted
deposition" di un bistrato TiN-TiC su substrati diversi.
- Analisi di tale film mediante profilometro.
- Uso del microscopio SEM per l'analisi morfologica del film.
- Uso della tecnica AES per l'analisi composizionale del film depositato.
- Uso della tecnica di permeazione per l'analisi delle proprieta' di trasporto
del film.
Testi consigliati
N.W. ASHCROFT, N.D. MERMIN, Solid State Physics
R.A. SWALIN, Thermodynamics of Solids
L.C. FELDMAN, J.W. MAYER, Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis
Modalità e svolgimento dell'esame
Tutti gli argomenti indicati sopra costituiscono argomenti d'esame.
Il superamento della prova d'esame richiede la presentazione di una relazione
scritta sull'attivita' di laboratorio e la presentazione del
contenuto di tale relazione sotto forma di seminario.
L'esame viene svolto in due parti: la prima parte riguarda gli argomenti
delle lezioni svolte in aula e la seconda riguarda invece l'attivita'
guidata di laboratorio. Per questa seconda parte lo studente presenta sotto
forma di seminario i risultati ottenuti nella sintesi e nella caratterizzazione
di film sottili.
Date dei prossimi appelli d'esame:
Orale: 10.9.97 ore 15,00
Orale: 8.10.97 ore 15,00