Metodi ottici spettroscopici per lo studio dei materiali 2018/19 Prof. Maurizio Canepa con la collaborazione di Dr. Francesco Bisio Testo Mark Fox Optical Properties of Solids Oxford, II ed. Consultazione - Fujiwara: Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications - O. Stenzel The Physics of thin film optical spectra - Hecht: Optics - Born and Wolf: Principles of Optics
Teoria classica della dispersione. Introduzione prima classificazione dei processi ottici e dei materiali rispetto alle loro proprietà ottiche. Teoria classica della dispersione. Classificazione dei materiali rispetto alle loro proprietà ottiche Modelli classici 1.1 Propagazione classica in un mezzo lineare omogeneo isotropo 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 e altri isolanti amorfi (titania, tantala) 1.2 Portatori liberi Modello di Drude 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
D. 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 nei semiconduttori e nei solidi molecolari 7. Film sottili, ultrasottili e nanostrutturati con seminari ad invito di ricercatori Approssimazione di mezzo efficace: Film porosi e sistemi di nanoparticelle: plasmonica (Dr. Bisio) Nanoparticelle a semiconduttore per la fotonica Multistrati e Bragg-reflectors Film sottili organici Grafene e materiali 2D Spettroscopia Raman Spettroscopie ottiche risolte in tempo
E. Esperienze di laboratorio: riflettometria ed ellissometria spettroscopica Configurazioni fondamentali hardware Esperienza 1: ellissometro di zero Esperienza 2: ellissometria spettroscopica 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: Spettroscopia Raman