Surface physics 1

A.Y. 2018/2019
6
Max ECTS
42
Overall hours
SSD
FIS/03
Language
Italian
Learning objectives
Al termine del corso, lo studente:
1. Conoscerà la rilevanza e il ruolo avuti dalla Fisica delle Superfici nei principali sviluppi della Fisica della Materia Condensata negli ultimi 50 anni;

2. Conoscerà le motivazioni fisiche che rendono necessaria, per la
realizzazione di molti esperimenti di Fisica delle Superfici, la realizzazione delle cosiddette condizioni di Ultra Alto Vuoto (UHV), e ne conoscerà la principali problematiche.

3. Saprà impostare correttamente il problema della stabilita' di una superficie solida dal punto di vista termodinamico, e saprà metterlo in relazione con il concetto di tensione superficiale.

4. Saprà quali sono le principali tecniche sperimentali che danno accesso al reticolo diretto e/o al reticolo reciproco di superficie, e saprà riconoscerne vantaggi e svantaggi in diverse situazioni sperimentali.

5. Padroneggerà i concetti associati alle applicazioni della trasformata di Fourier bidimensionale in relazione con le possibili strutture periodiche in 2D (i cinque reticoli di Bravais, le loro celle elementari, la zona di Brillouin bidimensionale).

6. Conoscerà i meccanismi fisici alla base dei fenomeni di rilassamento e ricostruzione di superficie. Conoscerà le notazioni di uso corrente per l'identificazione delle ricostruzioni superficiali, anche in presenza di adsorbati.

7. Conoscerà i principi della diffrazione di superficie, e saprà metterli in relazione con gli analoghi principi validi per la diffrazione da parte di un reticolo tridimensionale (sfera di Ewald).

8. Saprà descrivere come la creazione di una superficie possa indurre l'esistenza di soluzioni dell'equazione di Schroedinger altrimenti non accettabili (stati di superficie), e conoscerà alcuni esempi di tali soluzioni (e.g., Schockley, Tamm). Saprà dedurne le conseguenze e fare la connessione con i fenomeni del Band narrowing e del Surface Core-Level Shift.

9. Conoscerà le condizioni nelle quali si possono produrre i cosiddetti Stati Immagine.

10. Saprà descrivere il fenomeno della riflettivita' ottica di superficie nello schema di Fresnel, e conoscerà l'origine delle deviazioni della riflettività reale da quella di Fresnel.

11. Conoscerà il concetto di fonone di superficie, e di risonanza vibrazionale di superficie. Saprà classificare i fononi di superficie in termini della loro polarizzazione (SP, SH). Saprà descrivere il comportamento vibrazionale di una superficie nel limite del continuo elastico (onda di Rayleigh e le sue applicazioni).

12. Conoscerà le principali tecniche di preparazione delle superfici, con i relativi campi di applicazione, vantaggi e svantaggi: e.g.: sfaldamento, ion sputtering, epitassia da fasci molecolari (MBE, CBE, MOCVD).

13. Conoscerà le modalita' fenomenologiche della crescita di film sottili, e saprà associarvi le opportune tecniche sperimentali che ne permettono la caratterizzazione.

14. Conoscerà i principi di funzionamento della tecnica di diffrazione di elettroni a bassa energia (LEED); saprà riconoscere alcuni esempi di spettri LEED; conoscerà vantaggi e limiti del LEED rispetto ad altre tecniche.

15. Conoscerà i principi di funzionamento e le potenzialità
della spettroscopia Auger. Saprà riconoscere alcuni esempi di spettri Auger.

16. Conoscerà i principi di funzionamento dello scattering di ioni (SIMS e RBS),

17. Conoscerà le principali tappe della scoperta della tecnica detta microscopia a effetto tunnel (STM). Ne conoscerà i principi di funzionamento e la descrizione teorica e fenomenologica (modello di Tersoff e Hamann). Conoscerà gli esempi di applicazione piu' classici, quali quello alla superficie del Silicio (111)(7x7).
Sarà anche a conoscenza della tecnica detta Microscopia a forza atomica (AFM) e delle sue piu' comuni modalita' di applicazione.

18. Conoscerà i principi della spettroscopia ottica di anisotropia della riflettività (RAS) e della riflettività differenziale (SDR).
Expected learning outcomes
Undefined
Course syllabus and organization

Single session

Responsible
Lesson period
First semester
Course syllabus
PHYSICS OF SURFACES 1

Pagina web del corso
http://sites.google.com/site/fisicadellesuperfici/

Obiettivi
This course introduces ideas and concepts which are at the basis of physical phenomena occurring at surfaces and interfaces.
While focusing on the main conceptual points, this course also provides a wide overview on phenomenology and on the main experimental techniques.
This course is meant to bring students starting from elementary concepts of quantum mechanics and solid-state physics to the knowledge of the main tools allowing them to understand the most recent literature in surface physics. The detailed programme is the following:

Programma
1) Development of Surface Physics in the second half of the 20th century. Impinging rate. Langmuir isotherm.
2) Surface thermodinamics: equimolar Gibbs surface. Surface free energy. Surface tension. Perfectly elastic and plastic deformations. Faceting.
3) Crystal structure: The five Bravais lattices in 2D, 2D unit cells. Miller indices and ideal surfaces. 2D reciprocal lattice. Relaxation and reconstruction. Adsorbates. Examples. Vicinal surfaces.
4) Overview of experimental techniques giving access to structural and /or compositional properties. Techniques to access directly the 2D reciprocal lattice. LEED. Examples of LEED spectra. Advantages and limitations of the LEED techniques. High-Energy Electron Diffraction (RHEED). Introduction to Auger spectroscopy (AES) and related theoretical tools and theoretical interpretation.
7) Theory of Scanning Tunneling Microscopy (STM) within the Tersoff-Hamann approximation. Examples; basics of Atomic Force Microscopy (AFM); examples.
8) Metal surfaces in the Jellium model. Work function, macroscopic field, contact potential. Surface states: Tamm and Shockley models. Surface projection of three-dimensional bulk bands. Resonances. Band narrowing. Surface Core-Level Shifts.
9) Fresnel reflectivity and deviations. RAS and SDR spectra. Example: Si(100). Excitonic effects: optical gap and quasiparticle gap, examples.
10) Surface phonons. Resonances. Examples: graphite, LiF (001). Surface mode polarization. Elastic continuum limit. Rayleigh wave and applications.
11) Density Functional Theory. Local Density Approximation. Similarities and differences compared to Hartree-Fock. Slabs and supercells for the calculation of electronic and phonon surface bands.


Prerequisites
1. elementary diffraction theory
2. Basic knowledge of thermodynamics. thermodynamic potential concept
3. Boltzmann statistics
4. Fourier Transform
5. Plane and spherical waves
6. Elementary quantum mechanics: wave equation function
Schroedinger, potential barrier, hydrogen atom, many-electrons atoms.
7. Concept of bands in a solid (at least the one-dimensional case)
8. Concept of phonons in a solid (at least the one-dimensional case)
9. Classical and quantum harmonic oscillator
10. Maxwell's equations in vacuum and in materials
11. Perturbation theory for the calculation of corrections to the eigenvalues and eigenvectors to first order.

Modalita' d'esame
The exam consists of an oral discussion focused on the topics covered in the course.

Materiale
Hans Luth, "Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films", 4th edition, Springer, Berlin, 2001. (The 3rd edition was published under the title: "Surfaces and Interfaces of Solid Materials")
Friedhelm Bechstedt, "principles of surface physics" (Advanced texts in physics), Springer, Berlin, 2002
M.C.Desjonqueres, D. Spanjaard, "concepts in surface physics", Springer, Berlin, 1993
A.Zangwill, "physics at surfaces", Cambridge univ. Press Cambridge, 1988



Metodi didattici

Attendance: Highly recommended;
Delivery mode: Traditional.

Propedeuticità consigliate
Quantum Mechanics and Structure of Matter 1

Altre informazioni
The course includes some visits to laboratories and some numerical exercises (computer-based), the attendance of the latter is also evaluated for the exam.
FIS/03 - PHYSICS OF MATTER - University credits: 6
Lessons: 42 hours
Professor: Onida Giovanni
Professor(s)
Reception:
Wednesday afternoon, better by e-mail appointment
Via Celoria 16, LITA Building, ground floor (Latitude 45.47606 N Longitude 9.23026 E)