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DINAMICA DI RILASSAMENTO IN VETRI CALCOGENURI STUDIATA MEDIANTE SPETTROSCOPIA DI FOTOCORRELAZIONE

Laureanda:

Eleonora Benhar Noccioli

Relatore:

Tullio Scopigno

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SOMMARIO

  • Motivazione

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  • Il problema fisico

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            • La transizione vetrosa
            • Viscosità e fragilità

  • La tecnica sperimentale

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  • I risultati sperimentali

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  • Conclusioni

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Dinamica di rilassamento in vetri calcogenuri studiata mediante spettroscopia di fotocorrelazione

27/10/2008

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MOTIVAZIONE

  • Allo stato solido i materiali possono presentarsi in forma cristallina o amorfa: nel primo caso gli atomi sono disposti in modo da formare un reticolo cristallino, mentre nel secondo vi è totale assenza di periodicità spaziale. Si parla in questo secondo caso di sostanze vetrose.

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  • Secondo P.W. Anderson, premio Nobel per la fisica nel 1977, “La transizione vetrosa è il problema più interessante e profondo non ancora risolto della Fisica della materia”.

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  • La fenomenologia della transizione vetrosa è importante anche in ambito industriale, nelle scienze naturali e nella biologia.

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  • I vetri calcogenuri sono oggetto di grande interesse per le molte applicazioni ottiche ed elettroniche, ed in particolare perché sono fotosensibili.

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  • Nel nostro ambito, gli elementi Calcogeni sono interessanti perché si possono ottenere facilmente allo stato vetroso e perché formano composti che si legano in catene di lunghezza variabile (living polymers)

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IL PROBLEMA FISICO: LA TRANSIZIONE VETROSA

  • Analisi termodinamica della transizione vetrosa: calore scambiato da un liquido in fase di raffreddamento

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  • Rappresentazione schematica delle fasi liquida (A), vetrosa (B) e cristallina (C)

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IL PROBLEMA FISICO: VISCOSITÀ E FRAGILITÀ

  • A livello macroscopico, il parametro che controlla la vetrificazione è la viscosità, il cui comportamento al diminuire della temperatura in prossimità di Tg permette di classificare i materiali vetrosi.

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  • Vetri duri:

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  • Vetri fragili:

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  • Relazione di Maxwell:

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  • La transizione vetrosa è convenzionalmente

caratterizzata da

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  • Dal valore tipico di un vetro,

segue che

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Angell plot

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IL PROBLEMA FISICO: VISCOSITÀ E FRAGILITÀ

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  • Per avere una distinzione quantitativa,

si definisce la fragilità

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  • Il concetto di fragilità in questo contesto, non

ha nulla a che vedere con la fragilità intesa in

senso comune

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LA TECNICA SPERIMENTALE

  • In un esperimento di scattering dinamico della luce, un fascio monocromatico incide sul campione in esame

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  • Quando le molecole vengono investite dal campo elettrico incidente esse divengono sorgente secondaria e diffondono luce

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  • La diffusione della luce è il risultato delle fluttuazioni locali della costante dielettrica del campione, dovute a loro volta al moto delle molecole

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LA TECNICA SPERIMENTALE

  • Schematizzando il campo incidente come un’onda piana, il campo diffuso a grande distanza R è:

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  • Misurando le proprietà temporali della radiazione diffusa si ottengono informazioni
  • sulla dinamica del campione

è la componente del tensore di fluttuazione della costante dielettrica tra le direzioni di polarizzazione iniziale e finale

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dove

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LA TECNICA SPERIMENTALE

  • La quantità di interesse è dunque la funzione di correlazione del campo:

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  • Con il metodo omodino la quantità direttamente misurabile è la funzione di correlazione dell’intensità del campo:

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  • In approssimazione gaussiana si può esprimere la funzione di correlazione dell’intensità in funzione di quella del campo, I1(t):

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LUCE DIFFUSA

RIVELATORE

AUTOCORRELATORE

MEMORIZZATORE

METODO OMODINO

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I RISULTATI SPERIMENTALI

  • Rappresentazione schematica del nostro apparato strumentale

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  • Abbiamo utilizzato un campione di As10S90 , materiale che appartiene alla categoria dei vetri calcogenuri

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  • I vetri calcogenuri sono materiali vetrosi inorganici composti da elementi del sottogruppo VI-A (Calcogeni, S, Se, Te), e da elementi più elettropositivi, quali l’As o il Ge

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I RISULTATI SPERIMENTALI

  • In laboratorio abbiamo effettuato misure a 12 temperature diverse (160°C<T<270°C)

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  • Abbiamo visto che il nostro campione presenta due processi di rilassamento, quindi nell’eseguire i fit abbiamo generalizzato una funzione KWW al caso di due decadimenti:

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I RISULTATI SPERIMENTALI

  • Per ogni temperatura abbiamo ricavato dai fit due valori τi e βi (i=1, 2), e da questi i valori medi dei tempi di rilassamento strutturale

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  • Il fit VFT è stato effettuato fissando il parametro T0 al valore ottenuto analizzando i dati di un esperimento di viscosimetria

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I RISULTATI SPERIMENTALI

  • Abbiamo ottenuto i seguenti risultati sperimentali:

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  • Abbiamo infine costruito l’Angell plot per i due tempi di rilassamento strutturale

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CONCLUSIONI

  • I risultati ottenuti mostrano la presenza di due distinti valori di Tg e di m

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  • Risultati analoghi sono stati ottenuti in calorimetria

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  • Al contrario gli esperimenti di viscosimetri evidenziano una sola temperatura di transizione vetrosa e dunque una sola fragilità (Tg(1), m(1)), i cui valori sono in accordo con quelli ottenuti

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CONCLUSIONI

  • Il duplice processo di rilassamento osservato può essere ricondotto alla particolare struttura dei sistemi AsS ad alta concentrazione di zolfo

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  • Ancora oggi l’interpretazione delle due fasi vetrose rimane controversa, e
  • sistemi quali l’ As10S90 sono oggetto di intenso studio

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Amorphous solid

liquid

λ [μm]

Se