Obiettivi formativi
Conoscenze e comprensione
Nell’ambito di questo corso, lo studente consegue una comprensione e conoscenza delle proprietà fisiche dei principali materiali funzionali allo stato solido di interesse applicativo, basata su un approccio di tipo fenomenologico. Modelli fisici saranno delineati per consentire allo studente di comprendere l’origine dei fenomeni illustrati. Il metodo sperimentale fornisce la base per tale comprensione fondandosi su dati sperimentali riproducibili e sull'utilizzo dei metodi della matematica.
Conoscenze e comprensione applicate:
Gli studenti, alla fine del corso, dovranno aver conseguito capacità di applicare le conoscenze acquisite per affrontare lo studio di un argomento nell’ambito della Fisica della Materia e della Scienza dei Materiali. Più in particolare: comprensione di articoli della letteratura più recente, capacità di orientarsi nel considerare tematiche di Fisica dei Materiali sia a livello teorico sia sperimentale, ideare e sostenere argomentazioni riguardanti le proprietà fisiche dei materiali funzionali a livello di base. Lo studente più propriamente dovrà saper applicare la metodologia generale per lo studio dei materiali allo stato solido, partendo dalla loro sintesi, le loro proprietà generali, le proprietà fisiche che ne caratterizzano la funzionalità e le possibili applicazioni.
Capacità di apprendere:
Gli studenti, alla fine del corso, dovranno dimostrare di essersi avviati in un percorso di comprensione delle principali tematiche nel campo della Fisica della Materia e della Scienza dei Materiali trattate in qualsiasi forma espressiva (manualistica, monografica e di reporting); di orientamento in una comprensione di base degli esiti delle più recenti ricerche e nella loro traduzione in interventi professionali, da intendersi anche come attività di studio autonomo, di ricerca e progettazione di un esperimento.
Capacità di comunicare:
Gli studenti, alla fine del corso, dovranno dimostrare di saper comunicare idee-problemi-soluzioni su questioni di Fisica della Materia e Scienza dei Materiali ed esporre oralmente in modo chiaro, sintetico ed efficace. Le abilità comunicative verranno esercitate a lezione, coinvolgendo gli studenti nella discussione degli argomenti trattati, e durante le esercitazioni di laboratorio. Divisi in piccoli gruppi gli studenti verranno stimolati a sviluppare la capacità di lavorare in gruppo, discutere i possibili problemi che possono sorgere durante la misura, elaborare soluzioni e metodologie alternative che dovranno imparare a condividere e spiegare ai compagni di gruppo e al docente. Agli studenti viene inoltre richiesto al termine del corso di preparare una breve presentazione riguardante le proprietà fisiche di una particolare classe di materiali.
Autonomia di giudizio:
Gli studenti saranno sollecitati ad elaborare collegamenti non solo fra tra le diverse parti del corso ma anche con concetti di base acquisiti in altri insegnamenti (ad esempio di Fisica 2, di Meccanica analitica e Statistica e di Chimica) per sviluppare una capacità di giudizio autonoma basata su una conoscenza allargata ai vari aspetti della problematica in esame. Gli studenti, alla fine del corso, dovranno dimostrare di aver migliorato le loro capacità critiche e di formulazione di giudizio, in particolare di raccogliere e interpretare i dati, riflettere su problematiche relative alle proprietà fisiche dei materiali funzionali, studiare in modo autonomo, comunicare idee-problemi-soluzioni così da sviluppare quelle capacità di apprendimento che sono necessarie per intraprendere studi successivi nel campo della Fisica della Materia e della Scienza dei Materiali o svolgere attività professionali ad esso connesse.
Prerequisiti
Meccanica del punto materiale e dei sistemi, termodinamica, chimica generale, elettromagnetismo e ottica, elementi di meccanica statistica.
Contenuti dell'insegnamento
Le prime lezioni del corso riguardano la definizione e la classificazione dei materiali funzionali in base alle loro proprietà fisiche ed alle loro applicazioni, e argomenti di carattere generale quali la struttura dei materiali allo stato solido, il processo di solidificazione, le imperfezioni, la diffusione, 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 rivolte all’approfondimento di specifiche proprietà fisiche dei materiali funzionali, con la descrizione delle corrispondenti classi di materiali e delle loro applicazioni. In particolare sono trattate le proprietà meccaniche, termiche, di conduzione elettrica, dielettriche, elettromagnetiche, ottiche, magnetiche. Tra i possibili esempi di materiali funzionali discussi durante queste lezioni si possono citare ferroelettrici, piezoelettrici, semiconduttori, superconduttori, ferromagneti, ferroelastici, fotoconduttori, materiali fotonici, materiali per spintronica e leghe a memoria di forma.
Nell’ultima parte del corso sono presentati in forma di esempi alcuni casi di materiali multi-funzionali con interessanti prospettive applicative, che sono attualmente oggetto di ricerca nell’ambito della Fisica dei Materiali. Tra i possibili esempi trattati, si possono citare i materiali multiferroici e magnetoelettrici, i ferromagneti a memoria di forma ed i materiali magnetocalorici.
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; problematiche ambientali e geopolitiche
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, leghe e 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, dispositivi microelettronici, sistemi nanostrutturati; effetti termoelettrici
9. Proprietà dielettriche: permittività e resistenza dielettrica, meccanismi di polarizzazione, ferroelettricità, piezoelettricità, elettrostrizione, piroelettricità
10. Proprietà elettromagnetiche: propagazione di onde em in un mezzo conduttore ed in un dielettrico, meccanismi di assorbimento, penetrazione pellicolare, schermi em; plasmonica e meta-materiali plasmonici
11. Proprietà ottiche: apparenza di metalli, isolanti e semiconduttori, fotoemissione, fotoconduzione, luminescenza, emissione stimolata, proprietà elettro-ottiche, fotonica e meta-materiali fotonici
12. Proprietà magnetiche: anisotropia magnetica e processo di magnetizzazione, materiali ferromagnetici soft e hard; magnetostrizione, proprietà magneto-ottiche; nanostrutture magnetiche; magnonica
13. Materiali per spintronica: magnetoresistenza normale e gigante, spin-valve e dispositivi spintronici; materiali magnetoelettrici; spin-caloritronica
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
Lezione frontale con ausilio di strumenti audio-visivi multimediali. Le slides delle lezioni saranno rese disponibili sulle pagine web del corso all’indirizzo elly.difest.unipr.it.
Modalità verifica apprendimento
Le conoscenze acquisite e la capacità di comprensione dei concetti trattati sono verificati attraverso un esame orale. L’esame orale consiste di due parti: nella prima lo studente presenta, in forma di breve seminario, le proprietà di una particolare classe di materiali a sua scelta; la seconda parte consiste nella discussione di argomenti scelti nell’intero programma del corso.
Altre informazioni
Orario di ricevimento: su appuntamento
