ECTS - University of Pisa
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SPECTROSCOPY OF NANOMATERIALS
FRANCESCO FUSO
Academic year2019/20
CourseMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY
Code266BB
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
SPECTROSCOPY OF NANOMATERIALS IFIS/03LEZIONI48
ALESSANDRA TONCELLI unimap
SPECTROSCOPY OF NANOMATERIALS IIFIS/03LEZIONI48
FRANCESCO FUSO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze
  • Fondamenti di interazione radiazione/materia
  • Interpretazione degli spettri di emissione/assorbimento delle sostanze nel range dal vicino UV all'IR, fino al THz;
  • Strumenti tecnici e concettuali per la spettroscopia ottica di assorbimento, emissione stazionaria e risolta nel tempo, Raman;
  • Microscopia ottica confocale e oltre il limite di diffrazione (STED, PALM);
  • Proprietà ottiche e confinamento quantico in nanostrutture di  semiconduttori;
  • Plasmonica superficiale e localizzata;
  • Fondamenti di nano-fotonica, sistemi a band-gap fotonico, metamateriali;
  • Microscopie e spettroscopie a scansione di sonda e a campo ottico prossimo.
Knowledge
  • Basics of radiation/matter interaction and understanding of emission/absorption spectra of substances in the range near-UV - IR, up to the THz range.
  • Understanding of the experimental setups for emission, absorption, Raman spetroscopy emission, absorption, Raman spetroscopy.
  • Energy levels of the main physical systems: electronic levels in atoms and molecules, rotational and vibrational levels of molecules, Lorents-Drude model, electronic levels of impurities (transition metals and rare earths) in crystals, electronic and phononic bands in crystals.
  • Group theory applied to the main energy level systems mentioned above.
  • Confocal microscopy and microscopy beyond the diffraction limit (STED, PALM).
  • Optical properties and quantum confinement in semiconductive nanostructures.
  • Surface and localized plasmonics.
  • Foundations of nanophotonics, band-gap photonics, metamaterials.
  • Microscopy and spectroscopy with scanning probe methods and in the near-field.
Modalità di verifica delle conoscenze

Le conoscenze acquisite dagli studenti e dalle studentesse saranno puntualmente verificati durante l'anno tramite discussioni e approfondimenti in classe. L'esame finale è orale e può includere la preparazione di brevi seminari di approfondimento.
Assessment criteria of knowledge

The acquired knowledge is assessed all during the year by stimulating the participation of the students in scientific class discussion. The final exam is based on an oral test and can include the preparation of short seminars.
Capacità

Alla conclusione del corso gli studenti e le studentesse avranno acquisito la capacità di analizzare problemi di ottica che coinvolgono nanomateriali, sia per l'analisi delle proprietà su scala locale che per lo sfruttamento delle specifiche caratteristiche ottiche in dispositivi e metodi.

Pur avendo un carattere prevalentemente fisico di base, il corso favorisce lo sviluppo di capacità inter-disciplinari, strettamente connesse con altri settori.
Skills

At the successful completion of the course, the students will gain the ability to analyze problems of optics involving nanomaterials, both for the analysis at the local sclae and for the exploittion of their specific properties in devices and approaches.

Although the major emphasis is put onto the physical aspects, the course fosters the development of cross-disciplinary ablilities, directly connected with other scientific areas.
Modalità di verifica delle capacità

Durante il corso gli studenti sono incoraggiati a discutere gli aspetti di maggior interesse nel corso delle lezioni. Inoltre le capacità acquisite possono essere verificate anche attraverso la preparazione di brevi presentazioni su argomenti inerenti il corso.
Assessment criteria of skills

During the course, students are required to play a pro-active role in discussing topics of their interest. Moreover, the ablities can be assessed also through the preparation of short presentations  on selected topics.
Comportamenti

Gli studenti e le studentesse acquisiranno sensisbilità specifica nel trattare argomenti di nanomateriali da un punto di vista interdisciplinare, che, partendo dalle proprietà fisiche di base, arriva alle applicazioni attuali e di maggior risonanza.
Behaviors

Students will gain specific skills in the cross-disciplinary approach to nanomaterials that, starting from the fundamental physical basis, leads to emerging applications at the state-of-the-art.
Modalità di verifica dei comportamenti

L'atteggiamento di apertura interdisciplinare degli studenti sarà verificato durante le discussioni in classe, anche attraverso specifici test basati su brevi presentazioni.
Assessment criteria of behaviors

The cross-disciplinary skills will be verified during the class discussions, also thorugh specific tests based on short presentations.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenze base di elettromagnetismo e fisica dei materiali, incluse basi di meccanica quantistica.
Prerequisites

Electromagnetism and material physics, including basic elements of quantum mechanics.
Indicazioni metodologiche
  • lezioni frontali
  • discussioni in classe
  • visita di laboratori e discussione di pratiche sperimentali
Teaching methods
  • face to face delivery
  • class discussions
  • visits to labs and presentation of experimental practices
Programma (contenuti dell'insegnamento)

  1. Descrizione dei livelli energetici vibrazionali e rotazionali delle molecole e loro regole di selezione.

  2. Descrizione dei livelli energetici nei solidi isolanti (centri di colore, terre rare, metalli di transizione) e semiconduttori (elettroni, fononi, eccitoni…)

  3. Cenni di teoria dei gruppi applicata alla classificazione dei livelli vibrazionali delle molecole.

  4.  Tecniche sperimentali per misure di assorbimento, emissione, vite medie, spettroscopia Raman, spettroscopia di Fourier: reticoli di diffrazione, monocromatori, interferometri, sorgenti e rivelatori 

  5. Ottica classica, lenti, microscopi convenzionali, cenni alla microscopia elettronica, illuminazione e configurazioni; scattering di Rayleigh e di Mie, spettroscopia di nanomateriali; ottica di Fourier, potere risolutivo (Rayleigh, Abbe, Sparrow), microscopia confocale laser di fluorescenza.
  6. Proprietà ottiche di semiconduttori confinati: richiami di meccanica quantistica, buca di potenziale, transiszioni inter e intrabanda, densità degli stati, MQW, Q-Wires, Q-dots; Q-dots core shell: fabbricazione e applicazioni.
  7. Microscopia oltre il limite di diffrazione:emissione spontanea e stimolata, fasci gaussiani e modi a ciambella, microscopio STED, tecniche PALM e STORM.
  8. Oscillazioni di plasma nel bulk, onde plasmoniche superficiali, polaritoni plasmonici superficiali; eccitazione di plasmoni e spettroscopia plasmonica; risonanze plasmoniche localizzate, fabbricazione e applicazioni di nanoparticelle metalliche, nanobiosensori ottici, SERS.
  9. Cristalli a band-gap fotonico: equazione d'onda e analogie con elettroni nei cristalli semiconduttori, band-gap ottico e sue implicazioni, fabbricazione e applicazioni di strutture PBG 1,2,3-D; materiali a singolo e doppio indice negativo, indice di rifrazione negativo, metamateriali e loro possibili applicazioni.
  10. Microscopia a scansione di sonda: richiami su effetto tunnel e STM, microscopia di forza, AFM e varianti, esempi; campo ottico prossimo e SNOM, applicazioni e tecniche avanzate, microscopie e spettroscopie tip-enhanced.
Syllabus
  1.  Classical (ray) optics, lenses, conventional microscopes, elements of electron microscopy, illumination and configurations; Rayleigh and Mie scattering, spectroscopy of nanomaterials; Fourier optics: resolving power (Rayleigh, Abbe, Sparrow), confocal laser microscopy.
  2. Optical properties of quantum-confined semiconductors: reminders of quantum mechanics, potential wells, inter and intra-band transitions, density of states, MQW, Q_wires, Q-dots; core-shell Q-dots: fabrication and applications.
  3. Optical microscopy beyond the diffraction limit: sponteneous and stimulated emission, Gaussian beams and donut modes, STED, PALM and STORM techniques.
  4. Plasma oscillations in the bulk, plasmon surface waves; surface plasmon polaritons; excitation of plasmon modes and plasmon spectroscopy; localized plasmon resonances, fabrication and application of metal nanoparticles, nanobiosensors, SERS.
  5. Photonic band-gap crystals: wave equation and similarities with particles in a semiconductor lattice, optical band-gap and consequences, fabrication and applications of 1,2,3-D PBGs; single and double negative mateirals, negative refractive index, metamaterials and potential applications.
  6. Scanning probe microscopy: reminders of the tunnel effect and STM, force microscopy, AFM and variants, examples; optical near-field and SNOM, applications and advanced techniques, tip-enhanced microscopy and spectroscopy. 
Bibliografia e materiale didattico

La bibliografia specifica per ogni argomento trattato, inclusi anche articoli di ricerca, à comunicata agli studenti e studentesse al termine delle lezioni.
Bibliography

The relevant and specific bibliography for every topic of the course, including also research papers, is communicated to the students at the end of the lectures.
Indicazioni per non frequentanti

Mettersi in contatto preliminarmente con i docenti e seguire il materiale didattico fornito via web.
Non-attending students info

To contact preliminarly the lecturers and visit the relevant web pages for the didactical materials.
Modalità d'esame

Esame finale orale, parte del quale può essere sostenuta basandosi su una breve presentazione su argomento concordato.
Assessment methods

Oral final exam, partly fulfilled through a short presentation on a topic chosen in agreement with the lecturers.
Note

Ulteriori informazini sul corso sono reperibili alle seguenti pagine web:

http://www.df.unipi.it/~fuso/dida/nano1617.html

http://osiris.df.unipi.it/~toncelli/didattica/M&NT/spectroscopy.html
Notes

Further info are available at http://www.df.unipi.it/~fuso/dida/nano1617.html

http://osiris.df.unipi.it/~toncelli/didattica/M&NT/spectroscopy.html
Updated: 16/09/2019 10:32