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Oggetto:
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Laboratorio di fisica della materia

Oggetto:

Matter Physics Laboratory

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Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
MFN0827
Docenti
Alessandro Lo Giudice (Titolare)
Ettore Vittone (Titolare)
Corso di studio
008510-101 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Nucleare e Subnucleare e Biomedica
008510-105 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica del Sistema Meteoclimatico, Generale e delle Tecnologie Avanzate
008510-102 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Biomedica
008510-104 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica delle Tecnologie Avanzate
Anno
2° anno
Periodo
Primo semestre
Tipologia
C=Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti
Il corso di Fisica dello Stato Solido è propedeutico al corso di Laboratorio di Fisica della Materia

The Solid State Physics course is a prerequisite for the course of Laboratory of Physics of Matter.
Propedeutico a
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

L'insegnamento si propone di fornire nozioni fondamentali su alcune tecniche sperimentali per lo studio dei materiali, sui relativi modelli interpretativi, protocolli sperimentali ed approcci di analisi dei dati. L'insegnamento prevede attività in laboratorio in cui si potrà utilizzare strumentazione avanzata per effettuare misurazioni di osservabili relative a proprietà morfologiche,  strutturali, composizionali, opto-elettroniche di materiali a stato solido. In particolare si tratteranno tecniche per la fabbricazione del vuoto e per la misurazione delle basse pressioni, di spettroscopia ottica, Raman, di fotoemissione e microscopia elettronica.

The teaching is aimed to provide fundamental notions on some important experimental techniques for the study of materials, the relevant interpretative models, the experimental protocols, and the data analysis techniques. During the Laboratory activities, students can use advanced instrumentation to measure physical observables relevant to morphological, structural, compositional, opto-electronic properties of solid-state materials. In particular, techniques for vacuum fabrication and measurement, optical, Raman, and photoemission spectroscopies will be available to the students for material characterization and electron microscopy.

 

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacita' di comprensione (knowledge and understanding)

Il corso fornische una solida preparazione relativamente alle tecniche sperimentali nell'ambito della fisica delle tecnologie avanzate. In particolare, si acquisiranno

  • Nozioni fondamentali di fisica delle basse pressioni e di tecniche per la fabbricazione del vuoto e per la misurazione delle basse pressioni.
  • Nozioni riguardanti tecniche sperimentali per la caratterizzazione di materiali avanzati e relativi dispositivi, basate sulla microscopia elettronica, spettroscopia ottica e Raman, spettroscopia di fotoemissione, fotoconduttiva, interferometria in luce bianca o con altre tecniche disponibili in laboratorio.
  • Nozioni di tecniche acquisizione ed elaborazione dei dati sperimentali con strumenti informatici dedicati per estrarre dalle misure le informazioni necessarie per la caratterizzazione dei materiali analizzati.

Capacita' di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Il corso fornisce le nozioni fondamentali per la comprensione dei fenomeni fisici alla base di alcune delle più diffuse tecniche sperimentali per la caratterizzazione di materiali e dispositivi a stato solido.

In particolare, gli si acquisiranno:

  • capacità di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta trattazione statistica;
  • capacita' di utilizzare strumentazione tecnologicamente avanzata per misure di laboratorio nell'ambito, della fisica della materia.
  • capacità di applicare tecniche sperimentali adeguate per la misura di osservabili fisiche caratterizzanti la struttura, composizione e funzionalità opto-elettronica di materiali e dispositivi a stato solido.

 

Knowledge and understanding

 The teaching will provide an introduction to the experimental technique within the Physics of Advanced Technology. In particular, students will acquire:

  • Fundamental notions on the physics of vacuum and on techniques for the fabrication and measurements of low pressures.
  • Fundamental notions regarding experimental techniques for the characterization of advanced materials and devices, based on electron microscopy, optical, Raman, photoemission spectroscopy, and other techniques available in the laboratory.
  • Fundamental notions on the data acquisition techniques and on the analysis of experimental data, using suitable informatics tools

 Applying knowledge and understanding.

  • ability to interpret experimental data by means of correct statistical data analysis;
  • ability to use advanced instrumentation for material characterization.
  • ability to apply adequate experimental techniques to measure the structural, compositional and functional properties of solid-state materials and devices.

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Programma

Il programma del corso prevede lezioni frontali propedeutiche alle esperienze in laboratorio (24 h.) ed attività laboratoriale (36 h.) riguardanti i seguenti argomenti:

Tecnologia del vuoto:

  • Introduzione alle tecnologie del vuoto
  • Unità di misura 
  • Regimi in conduzione di bassa pressione
  • Conduttanza
  • Equazioni fondamentali
  • Velocità effettiva di pompaggio
  • Principi di funzionamento delle pompe da vuoto: pompe rotative, meccaniche, turbomolecolari, ioniche 
  • Principi di funzionamento dei principali vacuometri
  • Introduzione alla misura della velocità di pompaggio in regime di basso vuoto.

Interferometria in luce bianca

  • Introduzione alla spettroscopia ottica ed interferometria
  • Misura della trasmittanza e riflettranza di campioni otticamente spessi
  • Misura della trasmittanza e riflettanza di film sottili 
  • Interpretazione degli interferogrami
  • Introduzione alle misurazioni di interferometria in luce bianca; apparato sperimentale.  

Microscopia elettronica a scansione

  • Interazione di elettroni con la materia
  • Introduzione alla microscopia elettronica a scansione
  • Microscopio elettronico a scansione e casi di studio

Spettroscopia fotoelettronica

  • Introduzione alla spettroscopia fotoelettronica
  • Effetto fotoelettrico, effetto Auger, interpretazione di spettri XPS
  • Apparato sperimentale e protocollo di misura 

Il programma dettagliato è disponibile sulla piattaforma Moodle.

The course is organized in lectures (24 h), which provide basic information about the experiments to be conducted in the laboratory, and measurements (24h), relevant to the following topics: 

Vacuum techniques:

  • Introduction to vacuum techniques 
  • Units
  • Vacuum regimes 
  • Conductance
  • Basic equations 
  • Effective pumping speed 
  • Working principles of vacuum pumps  
  • Working principles of vacuum gauges
  • Measurement of the effective pumping speed in low vacuum regime 

White light interferometry 

  • Introduction to optical spectroscopy and interferometry 
  • Transmittance and Reflectance measurements of thick samples 
  • Transmittance and Reflectance measurements of thin films
  • Interferograms
  • Introduction to white light interferometric measurements; experimental set-up 

Scanning electron microscopy 

  • Electron-matter interaction 
  • Introduction to scanning electron microscopy 
  • The scanning electron microscope: The main components and cases of study 

Photoelectron spectroscopy (XPS) 

  • Introduction to the photoelectron spectroscopy 
  • Photoelectric effect, Auger effect, XPS spectra interpretation 
  • Experimental setup and the measurement protocol  

The detailed program is in the Moodle platform

 

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Modalità di insegnamento

 

Tutta l'attività didattica si svolgerà in presenza, salvo nuove disposizioni rettorali, secondo quanto riportato nel sito dell'ateneo alla voce "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo".

Il corso prevede 24 h di lezioni in cui verranno introdotte le tecniche sperimentali, i protocolli sperimentali ed i modelli interpretativi e 36 h di attività in laboratorio (per studente).

Per quanto riguarda le attività laboratoriali, gli iscritti e le iscritte all'insegnamento si distribuiranno in gruppi da 3 o (max) 4 membri per svolgere le attività sperimentali nei tempi pianificati dal calendario di occupazione della strumentazione.

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. E' obbligatoria la frequenza in laboratorio per almeno il 70% delle ore previste.

Il calendario delle lezioni e delle attività laboratoriali è disponibile sulla piattaforma Moodle.

All teaching activities will be conducted in presence, in agreement with the provisions of the University on the website "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo".

The teaching is organized in 24 h of lecturers aimed to present some experimental techniques, experimental protocols, and interpretative models.

36 h of laboratory activities (per student). The students will be divided into working groups (3-4 students) to carry out measurements during the time planned in the calendar of the laboratory sessions.

Participation in frontal lectures is not mandatory.
Participation in the laboratory is  mandatory for at least 70% of the time devoted to laboratory activities

The calendar of lessons and laboratory activities is available on the Moodle platform.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Le prove di verifica si svolgeranno in presenza, salvo nuove disposizioni rettorali, secondo quanto riportato nel sito dell'ateneo alla voce "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo".

La verifica dell'apprendimento si articolerà in:

A1-Relazione delle attività di laboratorio

Le relazioni saranno valutate al fine di verificare la capacità dello studente e della studentessa ad utilizzare con procedure appropriate la strumentazione di laboratorio per la caratterizzazione dei materiali e gli opportuni metodi di analisi statistica dei dati.  

Nel termine stabilito, i singoli gruppi dovranno consegnare (formato pdf) un rapporto tecnico (relazione) sulle misurazioni svolte. Eventuali ritardi saranno penalizzati in sede di valutazione.

B-Valutazione fra pari delle attività di laboratorio

Ad ogni studente e studentessa verrà richiesta una valutazione di una relazione di una esperienza svolta da un altro gruppo. La valutazione sarà anonima (i.e. il gruppo in esame non conoscerà il nome del valutatore). Entro le scadenze, lo studente dovrà produrre una valutazione sul lavoro che ha esaminato, sulla base di linee guida fornite dal docente.

A2-Valutazione delle attività svolte in laboratorio

Entro una settimana dalla consegna delle valutazioni di cui al punto B,  i gruppi di lavoro verranno invitati a discutere le relazioni. La discussione verterà sull'analisi della relazione (effettuata dal docente ), in termini di uso corretto della notazione scientifica, uso corretto del protocollo di misura, adeguata analisi statistica dei dati, risultati ottenuti. La valutazione finale sarà comune a tutti i membri del gruppo. La valutazione ha una validità di 24 mesi.

C-Colloquio

Per accedere alla prova orale e' necessario aver acquisito una votazione sufficiente delle relazioni (punto A). Tale valutazione è volta a verificare la conoscenza dei modelli fisici fondamentali alla base delle tecniche sperimentali per la caratterizzazione dei materiali  e verificare la capacità di esporre il protocollo di misura e l'analisi statistica adottata durante le attività svolte in laboratorio. La prova orale consisterà in una domanda relativa alle misurazioni effettuate in laboratorio ed in una domanda su altri argomenti trattati a lezione.

Il voto finale per ogni strudente e studentessa sarà la media ponderata delle valutazioni 

  1. relazione di laboratorio - punto A (valutazione comune a tutto il gruppo)
  2. valutazione fra pari - punto B 
  3. prova orale - punto C

Scadenze:

    • Consegna delle relazioni (formato pdf, via e-mail al docente):  data da definire.
    • Valutazione fra pari: disponibilità delle relazioni da valutare sulla piattaforma MOODLE alla voce "PEER REVIEW": data da definire.
    • Consegna delle valutazioni: data da definire. La valutazione della relazione, redatta sulla base delle linee guida disponibili alla voce "materiale didattico", dovrà essere consegnata  al docente entro una settimana dalla consegna della relazione da valutare.
    • Discussione delle relazioni: date da definire.
    • Consegna delle relazioni corrette sulla base della discussione del punto precedente: data da definire.
    • Prova Orale: data da definire.

Sessioni straordinarie possono essere richieste solo chi è in prossimità di discutere la tesi e aventi questo come ultimo esame.

 

The exams will be conducted in presence, in agreement with the provisions of the University on the website "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo".

The exam is structured as follows: 

A1-Technical reports

This exam is aimed to verify the student's abilities to properly use instrumentation and data analysis techniques for material characterization.

Within the deadlines here below, each group has to deliver in pdf format a technical report on their activities in the laboratory. Any delay will be penalized in the assessment.

B-Peer review of the technical report

Each student will be asked to assess a technical report of one measurement carried out by another group. At the deadlines , the student has to deliver an assessment of the technical report he/she received, based on the guidelines given by the teacher.

A2-Assessment of the laboratory activities 

Within one week from the peer report (item B), the groups will be invited to discuss the report. The discussion will be about the correct use of scientific notation, the experimental protocol, and statistical data analysis. The assessment is relevant to all the group members and its validity is 24 months.

C-Oral exam 

This exam is aimed to verify the knowledge of the fundamental physical models relevant to the experimental techniques for material characterization and to verify the ability to properly show the experimental techniques and the interpretative models of the laboratory activities. Only students with a sufficient evaluation of their laboratory reports (>18/30) will be admitted to the oral exam. The exam will consist of a discussion on one of the experimental techniques used in the laboratory and one question on topics presented during the course lectures.

The final mark results from the weighted average of the marks obtained in the  above-mentioned exams: 

  1. technical report - item A (common assessment for all the group members)
  2. peer reviewer - item B 
  3. oral exam - item C

Deadlines

  • Delivery of reports (pdf format, via e-mail to the teacher): date to be defined
  • Peer review: date to be defined
  • Discussion of the reports: date to be defined
  • Oral exam:< date to be defined

 Out-of-schedule sessions can be granted to students only if they are close to their thesis dissertation, and if they don't have any courses left to follow and only one exam left to undertake.

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Attività di supporto

Potranno essere organizzati seminari tenuti da esperti nel settore della fisica dei materiali e/o visite presso centri di ricerca nel territorio. Dettagli sono disponibili al sito del gruppo di fisica dello stato solido 

 

 

Seminars can be organized by expert in the field of Physics of Materials and visits will be organized at research centers. More details are available at the solid state physics group website 

 

Testi consigliati e bibliografia



Oggetto:
Libro
Titolo:  
Introduzione alla tecnologia del vuoto
Anno pubblicazione:  
1999
Editore:  
Bologna: Patron
Autore:  
Bruno Ferrario
ISBN  
Permalink:  
Obbligatorio:  
No


Oggetto:
Libro
Titolo:  
Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis
Anno pubblicazione:  
2007
Editore:  
Springer Science
Autore:  
J.I. Goldstein
ISBN  
Permalink:  
Obbligatorio:  
No
Oggetto:

 Il materiale didattico è disponibile sulla piattaforma Moodle.

The teaching material is available in the Moodle platform



Oggetto:

Note

Per le esperienze in laboratorio la frequenza è obbligatoria. 

L'orario aggiornato delle lezioni/esercitazioni è disponibile sulla piattaforma Moodle

For the experiences in the laboratory, attendance is mandatory.  

The updated calendar of lessons and laboratory activities is available on the Moodle platform

Oggetto:

Insegnamenti che mutuano questo insegnamento

Oggetto:

Orario lezioniV

GiorniOreAula
Lunedì9:00 - 11:00Aula Verde Dipartimento di Fisica
Mercoledì9:00 - 11:00Aula Verde Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 27/09/2023 al 12/01/2024

Nota: La lezione del lunedì solo fino al 23/11

Registrazione
  • Chiusa
    Apertura registrazione
    28/08/2023 alle ore 00:00
    Chiusura registrazione
    31/01/2024 alle ore 23:55
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 11/09/2023 10:11
    Location: https://www.fisicamagistrale.unito.it/robots.html
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