Corso di laurea magistrale in Fisica

Conoscenze di base di meccanica quantistica

L’insegnamento si inserisce nel generale obiettivo del corso di studio di fornire agli studenti, a partire da solide conoscenze fisiche di base, un'ottima padronanza di tecniche modellistiche e sperimentali che consentano di affrontare percorsi di ricerca scientifica di base e applicativa. In particolare l’insegnamento consentirà agli studenti di acquisire conoscenze specifiche di meccanica quantistica e di fisica dello stato solido utili per un'approfondita comprensione della fisica e delle tecnologie dei materiali semiconduttori impiegati nei dispositivi per l’optoelettronica.

Conoscenza e capacità di comprensione

Al termine dell’insegnamento gli studenti dovranno conoscere:

• i concetti fondamentali di meccanica quantistica necessari per studiare le proprietà strutturali, elettroniche e vibrazionali di molecole e solidi
• le principali tecniche di crescita e caratterizzazione di materiali semiconduttori per l’optoelettronica

 

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Gli studenti dovranno dimostrare di aver acquisito autonomia di giudizio utile ad applicare criticamente le tecniche modellistiche e sperimentali presentate a casi reali. Dovranno, quindi, essere in grado di individuare il più opportuno approccio modellistico e/o sperimentale per studiare le proprietà fisiche di interesse per una specifica applicazione tecnologica.

 

• Introduzione all’optoelettronica e ai sistemi di comunicazione in fibra ottica.
• Forma generale dell’operatore hamiltoniano molecolare. Approssimazione di Born-Oppenheimer. Approssimazione LCAO.
• Molecola di H₂⁺ e molecole biatomiche omonucleari: autovalori ed autofunzioni dell’operatore hamiltoniano, orbitali molecolari leganti ed antileganti.
• Molecole biatomiche eteronucleari: componente covalente e componente ionica all’energia di legame.
• Molecole poliatomiche e orbitali atomici ibridi. Polimeri conduttori come esempio di molecola monodimensionale infinita.
• Soluzione dell’equazione di Schrödinger in cristalli mono-, bi- e tri-dimensionali infiniti in approssimazione LCAO.
• Definizione di cella elementare e di zona di Brillouin. Calcolo delle bande per semiconduttori di interesse per l’optoelettronica.
• Semiconduttori a gap diretto ed indiretto. Massa efficace di elettroni e lacune.
• Finestre di trasmissione in fibra ottica e band-gap engineering. Leghe ternarie e quaternarie di semiconduttori. Strutture a confinamento quantistico (quantum well, quantum wire, quantum dot).
• Tecniche di crescita epitassiale per la realizzazione di semiconduttori e di eterostrutture per l’optoelettronica (LPE, VPE, MBE, CBE, MOCVD).
• Teoria della nucleazione e fondamenti di crescita cristallina.
• Tecniche di caratterizzazione di semiconduttori e di eterostrutture: diffrazione di raggi X ad alta risoluzione, microscopia elettronica, fotoluminescenza, spettroscopie di fotoemissione, diffrazione di elettroni, tecniche basate sulla luce di sincrotrone.
• Band-gap engineering in semiconduttori per applicazioni in campo energetico e tecniche per la loro caratterizzazione.

L'insegnamento prevede 48 ore di lezioni teoriche e esercitazioni che prevedono l’uso di programmi di modellistica molecolare. Le attività didattiche si svolgeranno con modalità interattive volte a stimolare il coinvolgimento degli studenti. Il materiale didattico impiegato a lezione verrà reso disponibile sulla pagina Moodle dell'insegnamento. Le lezioni verranno effettuate in presenza.

La verifica dell’apprendimento prevede una prova orale sugli argomenti delle lezioni teoriche in cui potrà venire richiesto l’uso dei programmi di modellistica molecolare illustrati durante le esercitazioni. Nella valutazione complessiva si terrà conto della capacità di ragionamento critico sugli argomenti trattati e della qualità dell’esposizione (competenza nell’impiego del lessico specialistico, efficacia, linearità).

• Slide presentate a lezione (disponibili sulla pagina web dell’insegnamento).
• W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica quantistica molecolare, Zanichelli, 2000.
• Per approfondimenti sulle tecniche di caratterizzazione: G. Agostini, C. Lamberti, Characterization of Semiconductor Heterostructures and Nanostructures, Elsevier Science, 2013.