FISICA

LAUREA MAGISTRALE

SPETTROSCOPIA DEI MATERIALI

Docenti: 
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA DELLA MATERIA (FIS/03)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

[Conoscenze e comprensione] conoscere i meccanismi fisici alla base delle principali tecniche spettroscopiche e il funzionamento dettagliato degli spettrometri dispersivi ed interferometrici.
[Conoscenze e comprensione applicate] Valutare la scelta delle tecniche utilizzabili a seconda del tipo di materiale da studiare, dei parametri fisici da investigare, del range di energia e di scala spaziale e temporale. Saper effettuare una misura con uno spettrometro Raman.
[Capacità di apprendere] Apprendere l’uso di alcune tecniche spettroscopiche, in particolare della spettroscopia Raman. Acquisire e interpretare i dati spettrali, confrontarli con database e letteratura di riferimento.
[Autonomia di giudizio] Valutare se la tecnica utilizzata è in grado di fornire i risultati richiesti. Riconoscere e trattare le principali fonti di errore e rumore. Integrare dati provenienti da tecniche diverse.
[Capacità di comunicare] Presentare correttamente dati sperimentali, separando i dati grezzi dalle interpretazioni. Utilizzo di scale, unità di misura e terminologia corrette.

Prerequisiti

Ottica geometrica ed ondulatoria. Interferenza e diffrazione. Elettromagnetismo. Elementi di base di chimica e struttura della materia.

Contenuti dell'insegnamento

Il corso intende fornire una conoscenza delle principali tecniche spettroscopiche per l’analisi dei materiali, con particolare dettaglio nelle tecniche operanti dall’infrarosso all’ultravioletto, senza tralasciare le principali informazioni sulle tecniche operanti negli altri range di energia.
Dopo aver recuperato le competenze indispensabili di ottica, elettromagnetismo, struttura della materia ed interazione radiazione-materia, verrà approfondita la teoria necessaria per comprendere i meccanismi alla base delle principali spettroscopie e della tecnologia utilizzata nei moderni spettrometri.
Le competenze fornite devono metter gli studenti in grado di utilizzare operativamente le tecniche spettroscopiche, sia dal punto di vista della scelta delle tecniche adeguate ai problemi da risolvere, sia in termini di conoscenza dei vari componenti e delle loro caratteristiche.
Per rendere maggiormente operative le competenze, verrà dato largo spazio allo studio di una tecnica, la spettroscopia Raman, sia dal punto di vista teorico che pratico. L’analisi dettagliata dei principi, della strumentazione, delle sorgenti di errore e rumore, del trattamento dei dati, fornirà competenze approfondite facilmente generalizzabili ad altre tecniche. Le attività di laboratorio saranno svolte a piccoli gruppi su problemi reali riguardanti materiali per l’alta tecnologia.

Programma esteso

Recupero degli elementi principali dell’ottica fisica e dell’interazione radiazione-materia, con particolare attenzione al range compreso tra il lontano infrarosso e l’ultra-violetto. Assorbimento, emissione, diffusione e processi correlati in sistemi molecolari e cristallini. Eccitazioni rotazionali, vibrazionali ed elettroniche.

Le spettroscopie per lo studio dei materiali: panoramica delle principali tecniche spettroscopiche in funzione del tipo di eccitazione e di sonda. Quali informazioni (strutturali, composizionali) sono ottenibili.

Suddivisone delle tecniche spettroscopiche sulla base dei materiali studiabili e sulle tipologie di campioni analizzabili: fase (solida, liquida, gassosa, cristallina, molecolare, amorfa), composizione (organico, inorganico), geometria (bulk, film, polvere, macro, micro). Modalità di campionamento e configurazioni di misura, risoluzione spaziale e temporale.

Gli spettrometri dispersivi: schema generale e componenti principali.
Reticoli di diffrazione, ottiche di ingresso e uscita, rivelatori, sorgenti, filtri.
Efficienza e risposta spettrale delle varie componenti.
Risoluzione spettrale.
Interferometri. Spettroscopia a trasformate di Fourier.

Presentazione dettagliata delle principali tecniche spettroscopiche per lo studio di materiali (principalmente con probe IR-Visibile).

La spettroscopia Raman. Teoria e tecnica.
Regole di selezione, vibrazioni e simmetrie.
Diverse configurazioni sperimentali (micro-Raman, Raman in fibra, Raman portatile).
Utilizzo nei diversi range spettrali, ottimizzazione delle configurazioni sperimentali.
Dipendenza da orientazione, strain, ordine e altri parametri.
Effetti dimensionali e confinamento fononico. Raman Risonante e tecniche di enhancement (SERS, TERS, etc.). Spatially Offset Raman Scattering.
Casi di studio.

Laboratorio di spettroscopia Raman: applicazione della tecnica a materiali di interesse tecnologico.

Bibliografia

Appunti del docente, in forma di powerpoint/pdf caricati su elly.
Ulteriori testi o capitoli di libri saranno individuati durante il corso.

Metodi didattici

Lezioni frontali tradizionali con slides, con materiale accessibile sulla piattaforma ELLY. Laboratorio di spettroscopia in piccoli gruppi. Utilizzo di spettrometri micro-Raman e Raman portatili per risoluzione di casi studio. Coinvolgimento in prima persona degli studenti.

Modalità verifica apprendimento

Il grado di apprendimento verrà continuamente valutato in itinere con il coinvolgimento attivo degli studenti, in particolare durante le attività di laboratorio. Alla fine del corso, gli studenti presenteranno una relazione sulla parte sperimentale, su cui si baserà circa un quarto della valutazione. Colloquio di valutazione mirante a verificare la comprensione degli aspetti principali della teoria connessi ai fenomeni fisici e alle tecniche spettroscopiche. La prova orale pesa per circa i ¾ del giudizio finale.