Fisica delle superfici 1

A.A. 2019/2020
Insegnamento per
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/03
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
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).

Struttura insegnamento e programma

Edizione attiva
Responsabile
FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Docente: Onida Giovanni
Programma
Il programma dettagliato e' il seguente:

1) Sviluppo della Fisica delle Superfici nella seconda metà del 20 secolo. Impinging rate. Il Langmuir come unita' di misura dell'esposizione. Isoterma di Langmuir.

2) Termodinamica di superficie: superficie equimolare di Gibbs, densita' superficiale di energia libera, relazione con la tensione superficiale. Deformazioni perfettamente plastiche e perfettamente elastiche. Faceting.

3) Struttura cristallina: i 5 reticoli di Bravais in 2D, celle elementari 2D. Indici di Miller e superfici ideali. Reticolo reciproco 2D. Rilassamento e ricostruzione. Adsorbati. Esempi. Superfici vicinali.

4) Panoramica sulle tecniche sperimentali che danno accesso a proprieta' strutturali e/o composizionali di superficie. Tecniche che accedono al reticolo diretto / al reticolo reciproco 2D. LEED. Esempi di spettri LEED. Vantaggi e limiti della tecnica LEED. High-Energy Electron Diffraction (RHEED). Cenni alla spettroscopia Auger (AES) e ai metodi teorici per la sua interpretazione..

5) Teoria della microscopia a effetto tunnel (STM) nello schema di Tersoff e Hamann. Esempi; Microscopia a forza atomica (AFM, cenni).

6) Superficie di un metallo ideale nel modello a Jellium. Funzione lavoro, campo macroscopico, potenziali di contatto. Stati di superficie: modelli di Shockley e Tamm. Proiezione delle bande di bulk tridimensionali. Risonanze.
Band narrowing. Surface Core-Level Shifts.

7) Riflettivita' di Fresnel e deviazioni. RAS e SDR. Esempio: Si(100). Effetti eccitonici: gap ottico e gap di quasiparticella, esempi.

8) Fononi di superficie. Risonanze. Esempi: grafite, LiF(001). Polarizzazione dei modi di superficie. Limite del continuo elastico, onda di Rayleigh e sue applicazioni.

9) Teoria del Funzionale densita'. Approssimazione della densita' locale. Similarita' e differenze rispetto ad Hartree-Fock. Metodo della lamina e della supercella per il calcolo di bande elettroniche e fononiche.
Informazioni sul programma
Nel corso vengono presentati, da un punto di vista sia teorico che fenomenologico, con numerosi riferimenti alle principali tecniche sperimentali, i principi che stanno alla base dei fenomeni fisici che nascono in presenza di superfici e interfacce.
Partendo da un livello di conoscenza elementare di fisica dei solidi, il corso fornisce gli strumenti necessari per comprendere la letteratura scientifica piu' recente in fisica delle superfici.

Il corso prevede alcune visite presso laboratori e alcune esercitazioni numeriche al calcolatore, la cui frequenza viene anche valutata in sede d'esame.
Propedeuticità
Meccanica quantistica e Struttura della Materia 1
Prerequisiti e modalità di esame
PREREQUISITI
1. teoria elementare della diffrazione
2. Nozioni elementari di termodinamica. Concetto di potenziale termodinamico
3. Statistica di Boltzmann
4. Trasformata di Fourier
5. Onda piana e onda sferica
6. Elementi di meccanica quantistica elementare: funzione d'onda, equazione
di Schroedinger, barriera di potenziale, atomo di idrogeno, atomi a più
elettroni.
7. Concetto di struttura a bande in un solido (almeno il caso unidimensionale)
8. Concetto di fonone in un solido (almeno il caso unidimensionale)
9. Oscillatore armonico classico e quantistico
10. Equazioni di Maxwell nel vuoto e nei mezzi materiali
11. Metodo elementare per il calcolo delle correzioni agli autovalori in
teoria delle perturbazioni al prim'ordine

MODALITA' D'ESAME
L'esame consiste in una discussione orale che verte sugli argomenti trattati nel corso.
Metodi didattici
Modalità di frequenza:
Fortemente consigliata;
Modalità di erogazione:
Tradizionale.
Materiale didattico e bibliografia
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
Periodo
Primo semestre
Periodo
Primo semestre
Modalità di valutazione
Esame
Giudizio di valutazione
voto verbalizzato in trentesimi
Docente/i
Ricevimento:
mercoledi pomeriggio, ma preferibilmente su appuntamento per e-mail.
Via Celoria 16 Edificio LITA piano terra (Latitude 45.47606 N Longitude 9.23026 E)