Insegnamenti

 

SM/0051 - LABORATORIO III

Anno Accademico ​2017/2018

Docente
ALESSANDRA ​GEDDO LEHMANN (Tit.)
Periodo
Secondo Semestre ​
Modalità d'Erogazione
Convenzionale ​
Lingua Insegnamento
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Informazioni aggiuntive

CorsoPercorsoCFUDurata(h)
[60/68] ​ ​FISICA [68/00 - Ord. 2014] ​ ​PERCORSO COMUNE672
Obiettivi

Obiettivi del corso:
1) (conoscenza e capacità di comprensione) Acquisire le conoscenze specialistiche, sia teoriche che pratiche, alla base i) della cristallografia applicata alla diffrazione X per la determinazione delle strutture cristalline, ii) dei metodi di raccolta dati e iii) dei metodi di elaborazione dei dati per la determinazione della struttura. Acquisire conoscenze di base, ma specialistiche, sui metodi di sintesi di materiali ceramici (ossidi). Acquisire conoscenze sulle transizioni di tipo ferroico nei solidi cristallini, e aver chiaro il concetto di parametro d’ordine della transizione, di dominio ferroico e di ciclo di isteresi.

2) (conoscenza e capacità di comprensione applicate) Sviluppare una adeguata conoscenza e comprensione del funzionamento dei diffrattometri a raggi X per polveri e per film sottili. Saper impostare la sintesi di un materiale ceramico per reazione diretta allo stato solido o per tecnica sol-gel. Saper impostare la misura del ciclo di isteresi P(E) di un materiale ferroelettrico e ottenere da esso le principali grandezze di interesse.

3) (autonomia di giudizio) Sviluppare capacità di analisi critica dei risultati di uno studio strutturale diffrattometrico (in riferimento ad esempio alla ricerca di fasi tramite banca dati, ai fattori di Debye-Waller, alla possibile presenza di orientazione preferenziale). Maturare capacità di lettura critica di articoli specialistici, in riferimento alle strutture cristalline pubblicate, e alle condizioni di sintesi allo stato solido e sol-gel di ossidi ceramici.

4) (abilità comunicative) Sviluppare la capacità di descrivere ad un pubblico specialistico e non specialistico problematiche di cristallografia applicata alla diffrazione di raggi X e i principi base di funzionamento dei dispositivi in uso nell’ambito specifico, con una corretta terminologia.

5) (capacità di apprendere autonomamente) Acquisire gli strumenti concettuali fisico-matematico e le abilità sperimentali necessarie per lavorare in un laboratorio di diffrazione X con strumentazione per polveri, con un buon grado di autonomia.

Prerequisiti

Nozioni di meccanica quantistica, elettromagnetismo, ottica.
Nozioni di base sullo stato cristallino (non solo utili, ma anche ben viste).

Contenuti

Sezione 1. La determinazione sperimentale della struttura dei cristalli.

Richiami di simmetria cristallina 3D: reticoli di Bravais, sistemi, classi, gruppi spaziali. Diffrazione di raggi X da parte dei cristalli: legge di Bragg, teoria di Laue e loro equivalenza. Costruzione di Edwald e tecniche sperimentali: metodo di Laue, del cristallo rotante e delle polveri. Pattern di diffrazione di polveri: posizioni e intensità dei riflessi di Bragg. Uso delle Tavole Internazionali di Cristallografia a raggi X per la rappresentazione delle strutture cristalline. Uso del software PowderCell per la simulazione del pattern di diffrazione di raggi X per polveri. Principi della diffrazione a raggi X per film sottili (epitassiali e policristallini).

Esperimenti di laboratorio: raccolta di pattern di diffrazione di polveri su diffrattometri Bragg-Brentano. Uso di software cristallografico per lo studio dei pattern di diffrazione: riconoscimento di fasi tramite banche dati, affinamento col metodo di Rietveld di strutture cristalline semplici. Misura della larghezza dei riflessi di Bragg e determinazione delle dimensioni dei cristalliti. Utilizzo del diffrattometro per film sottili per effettuare scansioni di base del reciproco su film epitassiali e policristallini.

Sezione 2. Transizioni di fase ferroiche nei solidi cristallini.

Concetto di rottura della simmetria e di parametro d'ordine. Introduzione alla teoria di Landau delle transizioni di fase di seconda specie. Transizioni di fase ferroiche: domini ferroici e cicli di isteresi per i materiali ferroelastici, ferroelettrici, ferromagnetici. Materiali multiferroici (cenni).
Ferroici magnetici: magnetizzazione, suscettività magnetica, sorgenti di campi magnetici. Magnetismo nei solidi con elettroni localizzati: paramagnetismo di Curie, campo molecolare di Weiss, ferromagnetismo, antiferromagnetismo. Domini magnetici e ciclo di isteresi M(H). Ferroici ferroelettrici: transizioni ferroelettriche negli ossidi perovskitici, relazioni tra struttura cristallina e polarizzazione spontanea, ciclo di isteresi P(E).

Esperimenti di laboratorio: Sintesi di ossidi ferroelettrici tramite reazione allo stato solido. Misura del ciclo di isteresi P(E). Analisi della funzione di risposta tra P e E in un dielettrico con transizione ferroelettrica: misura della costante dielettrica complessa.


Metodi Didattici

Le ore del corso sono così distribuite:

Sezione 1. La determinazione sperimentale della struttura dei cristalli. Totale 45 ore (15 frontali e 30 di laboratorio, suddivise tra diffrazione X per polveri e per film sottili).
Sezione 2. Transizioni di fase ferroiche nei solidi cristallini. Totale 22 ore (8 frontali e 14 di laboratorio, divise tra sintesi e caratterizzazione strutturale di ossidi ceramici e caratterizzazione del loro stato ferroico).

Per lo svolgimento degli esperimenti associati alle Sezioni 1 e 2, saranno a disposizione: i diffrattometri a raggi X del Centro Grandi Strumenti (Dipartimento di Fisica), la strumentazione del Laboratorio Didattico Interfacoltà, i Laboratori di Sintesi dei Materiali e di Caratterizzazione di Dielettrici e Ferroelettrici (Dipartimento di Fisica).

Verifica dell'apprendimento

Modalità d'esame finale: valutazione delle relazioni scritte sugli esperimenti e breve esame orale con discussione delle relazioni. L'esame orale ha come finalità la verifica del grado di comprensione e conoscenza degli argomenti trattati durante il corso.

Testi

C. Kittel, Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, Bollati Boringhieri, 1993

N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Solid State Physics, Harcourt College Publishers, 1976

The Rietveld Method, Edited by R. A. Young, International Union of Crystallography, Monographs on Crystallography, Oxford University Press, 1993.

Gerald Burn: Solid State Physics, Academic Press, 1985

Partick Fazekas, “Lecture Notes on Electron Correlation and Magnetism,” World Scientific, 1999.

Feng Duan and Jin Guojun "Introduction to Condensed Matter Physics" vol.1, World Scientific Publishing Company, 2005.

Diapositive proiettate a lezione e altro materiale didattico messo a disposizione dal docente.

Altre Informazioni

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