Fotónica em Materiais

Objectivos

A disciplina de Fotónica em Materiais tem como objectivo ensinar os conceitos básicos do ramo de física aplicada relacionados com a interação luz-matéria. Pretende-se introduzir aos alunos as áreas de óptica de ondas, mecânica quântica e física do estado sólido, para que ganhem bases conceptuais sólidas nestes domínios que poderão depois ser aprofundadas em disciplinas lecionadas posteriormente.

A disciplina terá um forte carácter aplicado, pelo que todos os temas tratados serão enquadrados no contexto da investigação e desenvolvimento tecnológico actual. O seminário sobre simulação numérica e a prática laboratorial contribuiram bastante neste aspecto, dado que permitirão aos alunos acompanhar uma experiência real de nanofotónica e seguir os passos de desenho, fabrico, caracterização e interpretação dos resultados.

A disciplina está organizada em 6 módulos:

1)   Introdução – apresentação da disciplina e do que é esperado dos alunos. Seminário introdutório sobre a história dos principais desenvolvimentos relacionados com os campos da disciplina.

2)   Óptica Aplicada – conceitos fundamentais de óptica aplicada, electromagnetismo e natureza ondulatória da luz, começando por introduzir princípios análogos de mecânica clássica (osciladores e ondas).

3)   Mecânica Quântica – introdução a física quântica, com foco nos aspectos relacionados com fotónica e com a dualidade onda-partícula.

4)   Física de Estado Sólido – conceitos básicos de física de estado sólido, por forma a descrever as propriedades da matéria (e.g. estrutura de bandas, índice de refracção, etc) que regem a sua interação com a luz.

5)   Tópicos de I&D – princípios científicos e tecnológicos que estão na base dos temas de investigação, relacionados com fotónica e fotovoltaico (ex: gestão de luz em células solares), métodos de medição ótica, e simulação computacional, em desenvolvimento no CENIMAT-CEMOP, e envolvendo aspectos cruciais das actividades de I&D: modelação, desenvolvimento experimental, fabricação e caracterização de dispositivos.

6)   Laboratório – lições realizadas nos laboratórios do CENIMAT-CEMOP onde os alunos participam numa experiência que envolve a caracterização de dois tipos diferentes de estruturas de aprisionamento de luz para células solares: um reflector plasmónico e uma micro-estrutura dieléctrica, para integração no lado traseiro e frontal de dispositivos fotovoltaicos de filme fino, respectivamente.

Caracterização geral

Código

11509

Créditos

6.0

Professor responsável

Manuel João Dias Mendes

Horas

Semanais - 4

Totais - A disponibilizar brevemente

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

Análise Matemática I, Física I.

Bibliografia

Physics for Scientists & Engineers – Fishbane, Gasiorowicz, Thornton. Prentice Hall, 1996

Physics for Scientists & Engineers, with Modern Physics – Serway, Jewett. Brooks/Cole, Boston USA, 2014

Óptica – E. Hecht. Fundação Calouste Gulbenkian, 2002

Introduction to Solid State Physics – C. Kittel. Wiley, 2004

Adicional:

Absorption & Scattering of Light by Small Particles – Bohren & Huffman. John Wiley & Sons, 1983

Solar Cells & Light Management –  Enrich, Righini. Elsevier, 2020

Método de ensino

A disciplina é composta por aula teorico-práticas (TP), dando ênfase à participação regular dos alunos através de discussão oral e resolução de exercícios. As lições TP são apresentadas em power point e leccionadas em português (ou inglês se necessário) durante a aula, contendo exercícios práticos para os alunos fazerem na aula após cada tópico.

A disciplina motiva a participação contínua dos alunos, tanto nas aulas TPs como nas aulas mais práticas de simulação computacional e laboratório, atribuindo uma classificação ao desempenho dos alunos em todas as aulas.

Método de avaliação

Métodos de avaliação:

- Média dos 2 Testes de avaliação contínua (sem classificação mínima para ir a exame) ou Exame (75% da nota)

- Trabalho de modelação computacional (15% da nota)

- Participação nas aulas (10% da nota)


Nota mínima para aprovação: 9.5

[actualizado para o período do Covid-19, através de avaliação à distância]

Conteúdo

Introdução:

Programa e objectivos. Métodos de avaliação e organização da disciplina.

Importância e visão histórica da fotónica e mecânica quântica


Electromagnetismo e óptica classica:

Oscilador harmónico (simples e amortecido), resonâncias e aplicações.

Equação de ondas, ondas progressivas e estacionarias em várias dimensões. Energia nas ondas.

Natureza electromagnética (EM) da luz. Vector de Poyinting e transferência de energia em ondas EM. Antena dipolar e radiação de ondas EM.

Óptica geométrica. Natureza ondulatória da luz. Leis de Fresnel. Fendas de Young. Interferência e difracção de luz.

Interferência em filmes finos. Interferómetros. Redes de difracção. Lei de Bragg. Difracção de raios X.

EM em notação complexa. Propagação de luz na matéria. Índice de refracção. Lei de Lambert-Beer. Dispersão de luz de Rayleigh. 

 

Mecanica Quântica:

Introdução à Mecanica Quântica. Lei de Planch e Corpo Negro. Quanta de luz e efeito foto-eléctrico.

Efeito de Compton. Dualidade onda-partícula. Dupla fenda. Partículas quânticas. Princípio de incerteza.

Função de onda. Partícula na caixa. Equação de Schrödinger. Poço de potencial. Efeito de túnel. Oscilador harmónico.  

 

Física do Estado Solido:

Cristais periódicos. Metais e semiconductores – ligações atómicas. Teoria de bandas. Condução eléctrica. Física de semiconductores.

Modelos de Lorenz e de Drude. Estrutura de bandas em estado sólido. Métodos de caracterização ópticos e eléctricos em filmes finos.

 

Seminários:

Nano/micro-estruturas fotónicas para aprisionamento de luz em células solares

SERS – fundamentos e aplicações para detecção molecular.

Simulações electromagnéticas com FDTD – tutoriais e computação na aula. Aplicação ao cálculo da resposta de células solares de filme fino melhoradas com estruturação fotónica.

Tecnologia quântica para conversão de luz para electricidade. Células solares multi-banda e outros novos conceitos quânticos para fotovoltaico.

 

Prácticas Laboratoriais:

Análise de estruturas de aprisionamento de luz desenvolvidas no CENIMAT-CEMOP, através da sua caracterização morfológica (por SEM) e óptica (por espectrofotometria). Apresentação das técnicas de fabrico.

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: