Metodi _ottici_spettroscopici_per_lo_studio_dei_materiali

Metodi ottici spettroscopici
per lo studio dei materiali
Prof. Maurizio Canepa
Con la collaborazione di
Dr. Francesco Bisio
Testo: Mark Fox: Optical Properties of
Solids (OPS), Oxford, II ed.
Libri di consultazione
1. O. Stenzel The Physics of thin film optical spectra
3. Hecht: Optics
2. Brooker: Modern Classical Optics
4. Born and Wolf: Principles of Optics
A. Teoria classica della dispersione.
Classificazione dei materiali rispetto alle loro proprietà ottiche
0. Introduzione
- Spettro delle onde e.m..
- una prima classificazione dei processi ottici e dei materiali rispetto alle loro proprietà
ottiche.
1. Modelli classici
1.1 Propagazione classica in un mezzo lineare omogeneo isotropo
Modello di Lorentz
Costante dielettrica ed indice di rifrazione complesso
Risonanze multiple e dispersione
Relazioni di Kramers- Kronig
Modelli fenomenologici per la regione di trasparenza ( Cauchy, Sellmeyer)
Dati sperimentali: vetri, SiO2
1.2 Portatori liberi
Modello di Drude e conducibilità complessa
Limite delle basse frequenze.
Frequenza di plasma
Dati sperimentali: Al
B. Superfici ed interfacce: riflessione e rifrazione
2. Polarizzazione della luce
Polarizzazione lineare, circolare, ellittica. Rappresentazione grafica
Interfacce: piano di incidenza. Polarizzazione s e p
Rappresentazione algebrica degli stati di polarizzazione: Vettori e matrici di
Jones
3. Riflessione e rifrazione
Interfaccia fra due dielettrici isotropi: Coefficienti di Fresnel
Angolo di Brewster
Riflessione totale interna. Angolo critico. Fibre ottiche (cenni).
Interfacce multiple: film sottili
C. Riflettometria ed ellissometria
4. Componenti ottici e loro descrizione matriciale
polarizzatori, lamine e compensatori: materiali uniassiali e birifrangenza
principali componenti ottici e loro descrizione matriciale
Matrice di Jones di un campione riflettente
vettori di Stokes e matrici di Mueller ( cenni)
5. Riflettometria ed ellissometria
Configurazioni hardware della riflettometria. Principali componenti ( sorgenti, reticoli,
detectors)
Riflettività da campioni “bulk”. Effetti di superficie: rugosità e contaminazione
Riflettività da strati sottili. Metodo dei coefficienti di Fresnel. Metodo matriciale. Multistrati
dielettrici. Specchi dielettrici. Filtri dielettrici.
Relazione fondamentale dell’ellissometria
Ellissometria a singola lunghezza d’onda
Ellissometria di zero
Ellissometria spettroscopica (UV-VIS e IR)
C. Elementi di teoria quantistica dell’assorbimento
6. transizioni interbanda
elementi di teoria delle bande
elementi di teoria quantistica dell’assorbimento in isolanti e
semiconduttori a gap diretto ed indiretto.
Eccitoni.
Transizioni interbanda nei metalli nobili.
Assorbimento e Luminescenza
7. Materiali e nano-materiali
Semiconduttori drogati
Semiconduttori molecolari (cenni)
Quantum wells
Sistemi di nanoparticelle: plasmonica, fotonica
Materiali non omogenei: Relazione di Clausius Mossotti
Approssimazione di mezzo efficaci
Film porosi
Materiali anisotropi: Tensore dielettrico. Materiali uniassiali e birifrangenza
Metamateriali
D. Esperienze/Dimostrazioni di laboratorio:
riflettometria ed ellissometria spettroscopica
Configurazioni fondamentali hardware
Esperienza 1: riflettometria
Esperienza 2: ellissometro di zero
Metodi di analisi.
Esperienza 3: Substrati. Vetri, metalli. Effetti di rugosità e
contaminazione .
Esperienza 4: Film ultrasottili. misura dello spessore di uno strato di
SiO2 cresciuto su Si.
Esperienza 5: Film ultrasottili organici e biologici
Esperienza 6: Nanoparticelle: risonanze plasmoniche

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