ELETTRONICA E FOTONICA MOLECOLARE

Scheda dell'insegnamento

Anno accademico di regolamento: 
2015/2016
Anno di corso: 
1
Anno accademico di erogazione: 
2015/2016
Tipo di attività: 
Obbligatorio a scelta
Lingua: 
Italiano
Crediti: 
6
Ciclo: 
Secondo Semestre
Ore di attivita' didattica: 
52
Prerequisiti: 

Conoscenze di base di Struttura della Materia e di Fisica dello Stato Solido

Moduli

Metodi di valutazione

Tipo di esame: 
Orale
Modalita' di verifica dell'apprendimento: 

Esame orale

Valutazione: 
Voto Finale

Obiettivi formativi

Il corso si prefigge di fornire allo studente gli strumenti per comprendere e modellizzare le proprietà ottiche ed elettriche dei materiali molecolari, e di fornirgli conoscenze di base sulla ricerca di frontiera in questo settore con particolare attenzione ad applicazioni e dispositivi di nuova concezione.

Contenuti

GENERALITA’
Semiconduttori molecolari. Cristalli molecolari e origine quantomeccanica delle forze intermolecolari. Sistemi policoniugati a base di carbonio: anisotropia, bassa dimensionalita’ delle proprieta’. Semiconduttori polimerici.
STATI ELETTRONICI DI MOLECOLE E POLIMERI POLICONIUGATI
Modello dell’elettrone libero, modello di Hueckel. Struttura a bande di polimeri coniugati. Approssimazione monoelettronica: hamiltoniano Su, Shrieffer e Heeger. Interazione elettrone-fonone e gap di Peierls. Solitoni, polaroni, bipolaroni. Correlazione elettronica: hamiltoniano di Hubbard.
PROPRIETA’ OTTICHE LINEARI
Assorbimento ed emissione di molecole coniugate. Coefficienti di Einstein e formula di Strickler-Berg. Singoletti e tripletti. Calcolo degli spettri ottici con il metodo “tight binding”. Suscettivita’ elettrica degli elettroni π. Calcolo degli elementi di matrice di transizione. Regola di Kasha. Processi non-radiativi. Tempi di vita. Efficienza quantica di fotoluminescenza e sua misura.
STATI ECCITATI DI CRISTALLI MOLECOLARI
Stati Eccitati in Aggregati Molecolari : classificazione degli eccitoni (Frenkel, Charge-Transfer, Wannier). Delocalizzazione e binding energy: confronto tra i materiali organici e inorganici. Calcolo dell’energia dell’eccitone. Splitting di Davydov. Meccanismi di generazione degli eccitoni. Mobilità dell’eccitone. Processi di trasferimento di energia coerenti e incoerenti. Trasferimenti di Foerster e Dexter. Antenne fotoniche.
ELETTROLUMINESCENZA E DISPOSITIVI LED
Architettura di di un dispositivo tipo e schema dei livelli energetici Iniezione e trasporto di carica. Creazione di eccitoni e loro ricombinazione.. Microcavità. Laser a semiconduttore organico.
CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHE
Celle foto-elettrochimiche a colorante organico (Graetzel): raccolta di luce, separazione di carica e trasporto. Efficienza di una cella foto-elettrochimica. Celle a semiconduttori organici e polimerici e loro architettura. Separazione di carica: donatori e accettori. Eterogiunzioni planari e “bulk”. Efficienza. Ottimizzazione della raccolta della luce solare: processi di “upconversion” e “downconversion”
ELETTRONICA E FOTONICA MOLECOLARE
utilizzo di strutture a scala molecolare(nm) quali interruttori, trasduttori, elementi logici, memorie. Macromolecole, biomolecole e supermolecolee loro significato in fisica, chimica e biologia. Molecole per fotoreazioni in biologia.

Programma esteso

GENERALITA’
Semiconduttori molecolari. Cristalli molecolari e origine quantomeccanica delle forze intermolecolari. Sistemi policoniugati a base di carbonio: anisotropia, bassa dimensionalita’ delle proprieta’. Semiconduttori polimerici.
STATI ELETTRONICI DI MOLECOLE E POLIMERI POLICONIUGATI
Modello dell’elettrone libero, modello di Hueckel. Struttura a bande di polimeri coniugati. Approssimazione monoelettronica: hamiltoniano Su, Shrieffer e Heeger. Interazione elettrone-fonone e gap di Peierls. Solitoni, polaroni, bipolaroni. Correlazione elettronica: hamiltoniano di Hubbard.
PROPRIETA’ OTTICHE LINEARI
Assorbimento ed emissione di molecole coniugate. Coefficienti di Einstein e formula di Strickler-Berg. Singoletti e tripletti. Calcolo degli spettri ottici con il metodo “tight binding”. Suscettivita’ elettrica degli elettroni π. Calcolo degli elementi di matrice di transizione. Regola di Kasha. Processi non-radiativi. Tempi di vita. Efficienza quantica di fotoluminescenza e sua misura.
STATI ECCITATI DI CRISTALLI MOLECOLARI
Stati Eccitati in Aggregati Molecolari : classificazione degli eccitoni (Frenkel, Charge-Transfer, Wannier). Delocalizzazione e binding energy: confronto tra i materiali organici e inorganici. Calcolo dell’energia dell’eccitone. Splitting di Davydov. Meccanismi di generazione degli eccitoni. Mobilità dell’eccitone. Processi di trasferimento di energia coerenti e incoerenti. Trasferimenti di Foerster e Dexter. Antenne fotoniche.
ELETTROLUMINESCENZA E DISPOSITIVI LED
Architettura di di un dispositivo tipo e schema dei livelli energetici Iniezione e trasporto di carica. Creazione di eccitoni e loro ricombinazione.. Microcavità. Laser a semiconduttore organico.
CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHE
Celle foto-elettrochimiche a colorante organico (Graetzel): raccolta di luce, separazione di carica e trasporto. Efficienza di una cella foto-elettrochimica. Celle a semiconduttori organici e polimerici e loro architettura. Separazione di carica: donatori e accettori. Eterogiunzioni planari e “bulk”. Efficienza. Ottimizzazione della raccolta della luce solare: processi di “upconversion” e “downconversion”
ELETTRONICA E FOTONICA MOLECOLARE
utilizzo di strutture a scala molecolare(nm) quali interruttori, trasduttori, elementi logici, memorie. Macromolecole, biomolecole e supermolecolee loro significato in fisica, chimica e biologia. Molecole per fotoreazioni in biologia.

Bibliografia consigliata

Lucidi distribuiti dal docente, basati sui seguenti testi:
M. Pope and C.E. Swenberg Electronic processes in organic crystals II edition, Oxford
Science Publications,1999 , Parte I cap. 1
J. Andre, J. Delhalle and J-L Bredas Quantum chemistry aided design of organic polymers,
World Scientific 1991, Cap. 1 e 3
L. Salem The Molecular orbital Theory of Conjugated systems, Benjamin 1966 (Cap. 1 p. 1-
47; Cap. 7 e 8

Modalità di erogazione

Convenzionale

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni