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