Obiettivi formativi
Il corso ha l'obiettivo di illustrare il ruolo "centrale" della Fisica nel fornire le conoscenze di base necessarie al sviluppo di tecnologie e dispositivi che trovano ampia applicazione nelle tematiche ambientali ed energetiche. La fisica di base e le tecnologie, essenziali a comprendere il funzionamento e la progettazione di dispositivi elettronici dedicati alla sensoristica e/o alla conversione dell’energia solare, sono le tematiche sulle quali è focalizzato il corso. Sicuramente i semiconduttori occupano un ruolo preponderante tra i materiali per elettronica adatti a realizzare dispositivi anche innovativi per rivelare, memorizzare/elaborare, trasmettere segnali elettrici legati a grandezze fisiche indicative delle condizioni ambientali oppure a convertire direttamente l’energia solare in energia elettrica.
Risultati dell'apprendimento: La conoscenza delle tecnologie fisiche di base per lo studio e la preparazione di materiali e dispositivi mediante l’uso delle tecnologie del vuoto.
Una buona conoscenza dei principi fisici, dei modelli e delle leggi che permettono di comprendere i risultati dell’analisi sperimentale e dei processi tecnologici legati all'utilizzo dei semiconduttori per la progettazione e realizzazione di dispositivi elettronici a semiconduttore da applicare nel campo ambientale (sensoristica) o energetico (fotovoltaico).
L' acquisizione di un primo quadro "non ideologico" di riferimento nel quale saper valutare le varie soluzioni energetiche con la consapevolezza della complessità dei problemi e della ricchezza di opportunità che, anche da un punto di vista economico, possono offrire. Nello specifico campo del fotovoltaico gli studenti saranno messi in grado di progettare un impianto di produzione di energia elettrica ottimizzando il progetto rispetto al particolare sito e alla specifica soluzione tecnologica adottata.
Prerequisiti
Buona conoscenza della Fisica classica e una sufficiente introduzione aagli strumenti concettuali e matematici della fisica moderna con particolare riguardo ad una minima confidenza con l’utilizzo dei principi base della meccanica quantistica e della meccanica statistica.
Contenuti dell'insegnamento
Verranno introdotti i principi fondamentali , le leggi e i modelli necessari a comprendere le proprietà fisiche dei materiali per elettronica, le tecniche sperimentali principali e le tecnologie legate alla realizzazione di dispositivi a semiconduttore con particolare riguardo ad alcune applicazioni energetiche.
Sulla base di considerazioni puramente scientifiche, gli studenti saranno guidati in una riflessione critica sui temi energetici del terzo millennio senza disconoscerne tuttavia le implicazioni sociali, economiche e anche etiche. In questo percorso sarà anche messo in evidenza come il crescente interesse per le attività economiche e industriali connesse si prevede possa promuovere una nuova economia " green economy" con interessanti prospettive occupazionali. Le lezioni frontali si articolano in tre parti:
I .Tecnologie microelettroniche: nella quale si introducono i principi di base della fisica dei semiconduttori.
II. Tecnologie del vuoto: una breve presentazione delle tecnologie del vuoto che hanno m applicazioni sia nella fisica che nei processi industriali, incluso le tecniche di deposizione epitassiale avanzate.
III.Tecnologie fotovoltaiche: vengono riassunte le basi termodinamiche della conversione fotovoltaica dell’energia solare e presentate le attuali filiere di produzione. Infine sono discusse le prospettive della ricerca nel fotovoltaico di nuova generazione.
Programma esteso
I. I principi fisici dei materiali semiconduttori:
• I materiali semiconduttori per l’energia e l’ambiente.
• Reticoli e strutture cristalline. La struttura cristallina, il reticolo spaziale. Celle primitive e celle convenzionali, operazioni di simmetria del reticolo di Bravais. L’unità di base. Strutture semplici e composte. Operazioni di simmetria del cristallo, alcuni esempi di strutture. Il reticolo reciproco: definizione. vettori del reticolo reciproco e piani reticolari, alcuni esempi.
• Analisi delle strutture cristalline. Spettro e.m., interazione con la materia, dualismo onda-particella. RAGGI-X, ELETTRONI, NEUTRONI.. Cenni storici: i raggi catodici, l’elettrone di Thomson, gli esperimenti di Davisson e Germer, gli esperimenti di Laue e la legge di Bragg, i neutroni di Fermi. La fisica dei raggi-X. Diffrazione di onde da strutture periodiche. La diffusione elastica dei raggi X.
• Stati elettronici e bande nei solidi. Elettroni di valenza e di core. Approssimazione ad un solo elettrone. Conseguenze dell’invarianza traslazionale. Il caso limite dell'elettrone libero. Teorema di Bloch e zone di Brillouin. Relazioni di dispersione. Condizioni al contorno e densità degli stati. L'energia di Fermi. Elettrone libero. Diffrazione alla Bragg ed intervalli di energie proibite. Classificazione dei solidi. Cenni alla determinazione della struttura a bande . Cenni alle strutture a bande un 3D nei semiconduttori a coordinazione tetraedrica.
• Dinamica degli elettroni. Lo schema semiclassico. L’elettrone come quasi particella classica. Il tensore massa efficace. Il concetto di lacuna. Impurezze idrogeno idi e drogaggio dei semiconduttori. Descrizione qualitativa : donori e accettori semplici. Livelli idrogenoidi nell’approssimazione di massa efficace. Metodi sperimentali. Stato di carica delle impurezze idrogeno idi
• Statistica dei portatori all’equilibrio termodinamico. Portatori in equilibrio termico. Densità dei portatori ed energia di Fermi . Gas classico e gas degenere. Semiconduttore intrinseco. Semiconduttore drogato. Semi-isolanti. E meccanismi di compensazione.
• Introduzione ai fenomeni di trasporto. Oscillazioni di Bloch e collisioni. Approssimazione del tempo di rilassamento. Cenni all’equazione di Boltzmann. Conducibilità elettrica e legge di Ohm. Gas degenere e gas classico. Introduzione al magnetotrasporto: Carica in campo magnetico. Risonanza ciclotronica.
• Magneto-trasporto classico. Limiti di validità. Effetto Hall. I tensori magneto-resistivo e magneto-conduttivo. Metodi sperimentali. Coefficiente di Hall per portatori non monocinetici.. Cenni alla magnetoresistenza fisica, conduzione mista, magnetoresistenza geometrica.
• Introduzione delle proprietà ottiche. Costanti ottiche e modello macroscopico. Trasmissione, assorbimento e riflessione. Interferenza da strati sottili. Processi di assorbimento fondamentali e coefficiente di assorbimento per transizioni dirette e indirette. Cenno alla spettroscopia ottica. Metodi sperimentali.
• Proprietà dei portatori in eccesso . Livelli di iniezione di portatori in eccesso. Processi di generazione e ricombinazione. Vita media dei portatori. Diffusività e lunghezza di diffusione. Relazioni di Einstein. Equazione di continuità ed equazioni ambi polari di diffusione. Esempi.
• Giunzioni p/n . La giunzione p/n ideale. Configurazione di equilibrio. Correnti stazionarie. Capacità geometrica della giunzione. Cenni alla deviazione dalla idealità. Breakdown della giunzione. Generazione e ricombinazione nella regione di carica spaziale
• Eterogiunzioni. . Eterogiunzione p/n. Eterostrutture isotipo ed eterostrutture intrinseche. Cenni alle nano strutture. Ingegneria delle bande, Introduzione alle tecnologie di crescita epitassiali .
II. Le tecnologie del vuoto:
• Richiami di calorimetria, termometria e teoria cinetica dei gas.
• Produzione e misura del vuoto.
• Principali materiali usati nella tecnica del vuoto (metalli , vetri, quarzo, ceramiche, elastomeri, cementi, adesivi, grassi da vuoto, sostanze essiccanti).
• Tecniche di deposizione di film sottili: evaporazione termica, bombardamento elettronico, polverizzazione catodica, crescita epitassiale, crescite con fasci elettronici assistiti da plasma.
III. Le tecnologie fotovoltaiche:
• Termodinamica della conversione dell'energia solare . L’ effetto fotovoltaico.
• Principi fisici di funzionamento di una cella solare.
• Tecnologie fotovoltaiche commerciali. Industria e mercato.
• Tecnologie fotovoltaiche innovative.
• Ricerca di frontiera nel campo fotovoltaico.
IV. Seminari:
• “Microgenerazione distribuita di energia prodotta da fonti rinnovabili: un nuovo modello per uno sviluppo sostenibile”.
• “Studi idrogeologici e ambientali per un impiabto geotermico a nassa entalpia del tipo a circuito chiuso di grandi dimensioni”.
• "Nanotecnologie: esempi di potenzialità ed applicazioni di interesse biomedico ed ambientale"..
Bibliografia
Il materiale didattico integrativo, con indicazioni per eventuali approfondimenti, comprenderà anche le slides delle lezioni frontali e sarà messo a disposizione on-line di tutti gli studenti che si iscriveranno formalmente al corso.
Si suggeriscono alcuni testi in troduttivi semplici relativi rispettivamente alla I e II parte:
M. Guzzi:“ Principi di Fisica dei semiconduttori” Ed. Hoepli, Milano 2008
B. Ferrario:" Introduzione alla Tecnologia del Vuoto" edizione riveduta da A. Calcatelli, Patron Editore – Bologna 1999.
Metodi didattici
Tenuto conto del carattere “undergratued” del corso per agevolarne la fruibilità a studenti che non hanno ancora un quadro consolidato della fisica moderna, le lezioni saranno caratterizzate da un approccio prevalentemente fenomenologico. Limitando così all’indispensabile il formalismo e le complessità di calcolo. Le lezioni frontali saranno integrate da alcuni seminari tenuti da esperti provenienti da enti pubblici di ricerca e da aziende pubbliche e private che avranno il ruolo di innescare discussioni e riflessioni sulle diverse tecnologie fisiche applicate in campo energetico-ambientale. Alla fine del corso saranno possibili, per gli studenti più interessati, brevi visite guidate presso laboratori di ricerca e sviluppo di materiali e dispositivi innovativi.
Modalità verifica apprendimento
Esame di profitto: Le modalità e il calendario degli esami saranno tempestivamente pubblicati sul sito del corso. In particolare: tutti gli studenti che si prenoteranno on-line per l'esame, secondo le modalità indicate nel sito per ciascuna sessione, riceveranno almeno 15 giorni della data dell'esame un tema da svolgere in una relazione da inviare telematicamente, nei tempi previsti dalle modalità d’esame, al responsabile del corso. L'esame consisterà nella presentazione e successiva discussione, in presenza della commissione d'esame, del tema svolto.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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