Obiettivi formativi
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
[Conoscenze e comprensione]
- conoscere le proprietà fisiche dei principali materiali funzionali allo stato solido di interesse applicativo, con una comprensione di tipo fenomenologico;
- spiegare l’origine dei fenomeni illustrati sulla base delle evidenze sperimentali e di alcuni modelli fisici delineati nell’ambito del corso;
- classificare e confrontare i differenti materiali funzionali allo stato solido sulla base delle loro proprietà fisiche e delle loro applicazioni;
[Conoscenze e comprensione applicate]
- riconoscere le principali problematiche della Fisica dei materiali funzionali sia a livello teorico che sperimentale e applicare le conoscenze acquisite per affrontare lo studio di un argomento in tale campo;
- eseguire uno studio autonomo riguardante una particolare tipologia di materiali funzionali, basato sulla lettura e comprensione di articoli della letteratura scientifica più recente, utilizzando l’approccio metodologico sviluppato durante il corso, che comprende le tecniche di sintesi del materiale, la caratterizzazione delle sue proprietà fisiche e le applicazioni ad esse correlate;
[Autonomia di giudizio]
- riconoscere ed elaborare collegamenti non solo fra tra le diverse parti del corso ma anche con concetti di base acquisiti in altri insegnamenti, per sviluppare una capacità di giudizio autonoma basata su una conoscenza allargata ai vari aspetti della problematica in esame;
- saper valutare con senso critico i limiti di validità dei modelli sviluppati e i vantaggi/svantaggi delle metodologie sperimentali studiate;
[Capacità di apprendere]
- interpretare nelle sue linee essenziali e riassumere il contenuto di articoli della letteratura scientifica più recente nel campo della Fisica dei materiali funzionali;
[Capacità di comunicare]
- comunicare il prodotto di tale studio in modo chiaro, sintetico ed efficace, utilizzando il corretto linguaggio tecnico-specialistico della Fisica della materia e della Scienza dei materiali.
Prerequisiti
Meccanica del punto materiale e dei sistemi, termodinamica, chimica generale, elettromagnetismo e ottica, elementi di meccanica statistica.
Contenuti dell'insegnamento
Argomento di questo corso sono le proprietà fisiche dei materiali funzionali allo stato solido, intendendo con questo temine i materiali aventi una “funzione”, cioè con applicazioni in vari ambiti delle tecnologie più avanzate, sia attuali che future. Ad esempio, le varie tipologie di materiali utilizzate nei dispositivi elettronici, nei sistemi di conversione e di stoccaggio dell’energia, nei dispositivi per la trasmissione e la conservazione dell’informazione, nei sensori e attuatori.
Le prime lezioni riguardano la definizione e la classificazione dei materiali funzionali sulla base delle loro proprietà fisiche e delle loro applicazioni, e argomenti di carattere chimico-fisico generale quali la struttura dei materiali allo stato solido, il processo di solidificazione, le imperfezioni, la diffusione atomica, i diagrammi di fase e le transizioni di fase. In tali lezioni vengono pure introdotti alcuni importanti concetti come quello di materiale nanostrutturato, composito, con struttura smart e multi-funzionale. Inoltre sono descritti sommariamente i principali metodi fisici di preparazione dei materiali allo stato solido, sia in forma massiva che nanostrutturata.
Le lezioni successive sono dedicate all’approfondimento di specifiche proprietà fisiche dei materiali funzionali, con la descrizione di alcune classi di materiali allo stato solido che presentano tali proprietà e delle loro applicazioni. In particolare sono trattate le proprietà meccaniche, di trasporto termico ed elettrico, dielettriche, elettromagnetiche e ottiche, magnetiche, spintroniche, superconduttive. L’approccio utilizzato è di tipo fenomenologico, basato cioè sulle evidenze sperimentali dei fenomeni studiati, spiegati utilizzando alcuni modelli fisici delineati nei loro aspetti essenziali. Tra gli esempi di materiali funzionali discussi durante queste lezioni si possono citare ferroelettrici, piezoelettrici, semiconduttori, superconduttori, ferromagneti, leghe a memoria di forma, materiali fotonici, e in generale meta-materiali.
Questo corso si propone inoltre di fornire una panoramica di alcuni indirizzi attuali della ricerca nel campo della Fisica della materia applicata a specifici materiali funzionali, ad esempio i semiconduttori a larga gap, i materiali per spintronica, i nanomagneti molecolari per il quantum computing, i materiali per la conversione magnetica dell’energia, i superconduttori non convenzionali, i materiali multiferroici magnetoelettrici. A questo scopo è prevista durante lo svolgimento del corso la visita ad alcuni laboratori del Dipartimento SMFI e dell’Istituto IMEM-CNR.
Programma esteso
0. Introduzione: classificazione dei materiali funzionali in base alle loro proprietà fisiche ed alle loro applicazioni
1. Materiali avanzati: compositi, smart, multi-funzionali e nano-materiali; applicazioni funzionali; considerazioni economiche e ambientali
2. Proprietà generali dei materiali allo stato solido I: struttura cristallina, processo di solidificazione, imperfezioni
3. Proprietà generali dei materiali allo stato solido II: processi attivati termicamente, diffusione, diagrammi di fase, transizioni di fase
4. Cenni ai metodi di preparazione dei materiali massivi: tecniche metallurgiche per metalli e leghe, sintesi dei ceramici, crescita di cristalli
5. Materiali nanostrutturati: classificazione, film sottili, nano-fili e nano-particelle, metodi di deposizione di film sottili e di sintesi di nanoparticelle, nano-litografie, self-assembly
6. Proprietà meccaniche: deformazione elastica e plastica dei metalli, frattura; nanostrutture, materiali a memoria di forma, ferroelasticità e superelasticità
7. Proprietà termiche: capacità e conducibilità termica dei conduttori e dei dielettrici, materiali nanostrutturati, meta-materiali fononici
8. Proprietà di conduzione elettrica: metalli, isolanti e semiconduttori; cenni alla teoria delle bande, energy gap, semiconduttori estrinseci e intrinseci, giunzione pn, sistemi nanostrutturati; effetti termoelettrici
9. Proprietà dielettriche: permittività e resistenza dielettrica, meccanismi di polarizzazione, ferroelettricità, piezoelettricità, piroelettricità
10. Proprietà elettromagnetiche: propagazione di onde em in un mezzo conduttore ed in un dielettrico, meccanismi di assorbimento, penetrazione pellicolare, schermi em; cenni sulla plasmonica e meta-materiali plasmonici
11. Proprietà ottiche: aspetto di metalli, isolanti e semiconduttori, fotoemissione, fotoconduzione, luminescenza, emissione stimolata, proprietà elettro-ottiche, cenni sulla fotonica e meta-materiali fotonici
12. Proprietà magnetiche: anisotropia magnetica e processo di magnetizzazione, materiali ferromagnetici soft e hard; magnetostrizione; nanostrutture magnetiche; cenni sulla magnonica
13. Materiali per spintronica: magnetoresistenza normale e gigante, spin-valve e dispositivi spintronici; materiali magnetoelettrici
14. Proprietà superconduttive: superconduttori classici e ad alta temperatura critica, proprietà magnetiche; applicazioni
15. Esempi di materiali multi-funzionali: multiferroici, ferromagneti a memoria di forma, materiali magnetocalorici
Bibliografia
Dispense del docente
W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed, McGraw-Hill Education, Milano 2012; ISBN-13: 978-88-386-6765-7
H. Fredriksson and U. Åkerlind, Physics of Functional Materials, J. Wiley & Sons, Ltd., Chichester, England 2008; ISBN-13: 978-0-470-51757-4
Metodi didattici
Le attività didattiche saranno condotte principalmente con la modalità della lezione frontale, mediante l’ausilio di strumenti audio-visivi multimediali. Le slides utilizzate a supporto delle lezioni frontali saranno caricate con cadenza settimanale nella forma di file pdf sulla piattaforma Elly (https://elly.smfi.unipr.it/2018/course/view.php?id=151). Per scaricare le slides è necessaria l’iscrizione al corso on line. Le slides vengono considerate parte integrante del materiale didattico.
Per l’approfondimento di alcune tematiche o classi di materiali funzionali di particolare rilevanza per l’attività di ricerca corrente nella Fisica dei materiali funzionali svolta presso il Dipartimento SMFI il docente si avvarrà del supporto di giovani ricercatori che potranno tenere brevi seminari tematici e stimolare una discussione con gli studenti. Il corso prevede inoltre la visita ad alcuni laboratori del Dipartimento SMFI e dell’Istituto IMEM-CNR, nei quali viene svolta attività di ricerca nel campo della Fisica dei materiali funzionali.
Agli studenti viene inoltre richiesto di preparare una breve presentazione, frutto di approfondimento autonomo, riguardante le proprietà fisiche di una particolare classe di materiali funzionali.
Modalità verifica apprendimento
La verifica sommativa dell’apprendimento avverrà tramite un esame orale, valutato con scala 0-30. Si ricorda che l'iscrizione on line all'appello d’esame su ESSE3 è obbligatoria. L’esame orale consiste di due parti: nella prima lo studente deve preparare una breve presentazione riguardante le proprietà fisiche e le applicazioni di una particolare classe di materiali a sua scelta (1/3 della valutazione); la seconda parte consiste nella discussione di argomenti scelti nell’intero programma del corso (2/3 della valutazione).
Durante la prima parte (presentazione) della prova d’esame sarà richiesto allo studente di:
- dimostrare di essere in grado di svolgere uno studio autonomo riguardante una particolare tipologia di materiali funzionali, basato sulla lettura e comprensione di articoli della letteratura scientifica più recente, utilizzando l’approccio metodologico sviluppato durante il corso;
- comunicare il prodotto di tale studio, con la modalità della presentazione, in modo chiaro, sintetico ed efficace ed utilizzando il corretto linguaggio specialistico della Fisica della materia e dei materiali.
Durante la seconda parte (discussione) della prova d’esame sarà richiesto allo studente di:
- dimostrare la conoscenza delle proprietà fisiche dei principali materiali funzionali allo stato solido di interesse applicativo, con una comprensione di tipo fenomenologico;
- spiegare l’origine dei fenomeni illustrati sulla base delle evidenze sperimentali e di alcuni modelli fisici delineati nell’ambito del corso;
- classificare e confrontare i differenti materiali funzionali allo stato solido sulla base delle loro caratteristiche fisiche e delle loro applicazioni, effettuando collegamenti tra le diverse parti del corso;
- valutare con senso critico i limiti di validità dei modelli sviluppati e i vantaggi/svantaggi delle metodologie sperimentali studiate;
- utilizzare il corretto linguaggio specialistico della Fisica della materia e dei materiali in modo da tradurre correttamente concetti complessi in un linguaggio comprensibile.
Una valutazione sufficiente è determinata dalla dimostrazione di avere appreso i contenuti minimi e fondamentali del corso; dalla capacità di esprimersi con un lessico specifico adeguato anche se semplice, da un livello sufficiente di preparazione autonoma, dalla capacità di analizzare almeno nei tratti essenziali le proprietà fondamentali di sistemi fisici di interesse e di formulare giudizi autonomi ad un livello accettabile.
Altre informazioni
Orario di ricevimento: su appuntamento
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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