TEMI SCELTI DI FISICA DELLA MATERIA
cod. 1006150

Anno accademico 2015/16
3° anno di corso - Primo semestre
Docente
Settore scientifico disciplinare
Fisica della materia (FIS/03)
Field
A scelta dello studente
Tipologia attività formativa
A scelta dello studente
52 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in - - -

Obiettivi formativi

Lo scopo di queste lezioni è di fornire allo studente una panoramica sulle proprietà fisiche dei principali materiali funzionali allo stato solido di interesse applicativo, basata su un approccio di tipo fenomenologico. Per materiali funzionali si intendono materiali classificati sulla base della funzione che essi possono eseguire, piuttosto che sulla loro origine, sulla natura del legame chimico o del procedimento di preparazione. Questa schematizzazione risulta perciò sostanzialmente differente dall’approccio tradizionale che distingue i materiali in metalli, leghe, ceramici, vetri, ecc. I materiali funzionali presentano proprietà utilizzabili dal punto di vista tecnologico che possono essere sensibilmente controllate da variazioni nei parametri esterni (temperatura, stress, campi elettrici, campi magnetici, radiazione, .). In particolare la ricerca attuale è concentrata su materiali che mostrano un forte accoppiamento tra diversi gradi di libertà, ad esempio strutturali, elettrici, magnetici, ottici, ., in modo da presentare caratteristiche di multi-funzionalità. Le applicazioni dei materiali funzionali spaziano dal campo dell’elettronica a quello dei sensori e degli attuatori, alla conversione di energia nelle sue varie forme, all’immagazzinamento dei dati e dell’energia.

Prerequisiti

Si richiede che lo studente abbia seguito gli insegnamenti di Fisica 1 (meccanica e termodinamica), Chimica, Fisica 2 (elettromagnetismo e ottica), Meccanica analitica e statistica e Fisica 3 (passaggio dalla fisica classica alla meccanica quantistica).

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 sulla pagina web del corso su didattica.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