FISICA DELLE NANOSTRUTTURE

FIS/01 - 6 CFU - 1° semestre

Docenti titolari dell'insegnamento

MARIA GRAZIA GRIMALDI
Email: mariagrazia.grimaldi@dfa.unict.it
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Fisica e Astronomia
Telefono: 0953785352
Orario ricevimento: giorni dispari 11-12
FRANCESCO RUFFINO
Email: francesco.ruffino@ct.infn.it
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Fisica ed Astronomia- Via S. Sofia 64- Edificio 6- Studio 244 (secondo piano)
Telefono: 0953785461
Orario ricevimento: Lunedì 15:00-17:00, Mercoledì 15:00-17:00. Il docente è disponibile anche ad incontri di ricevimento in modalità telematica, previo appuntamento. Eventuali avvisi di indisponibilità saranno diramati attraverso Microsoft Teams e/o Studium.


Obiettivi formativi

Acquisire una formazione approfondita nel campo delle proprietà fisiche e di trasporto dei materiali nano strutturati e delle tecnologie innovative per la realizzazione di tali materiali. Lo studente dovrà essere in grado di identificare come i processi di conduzione attestati nei sistemi massivi si modificano con la riduzione delle dimensioni e quindi sviluppare capacità di progettazione di sistemi nano strutturati per applicazioni specifiche.


Prerequisiti richiesti

Termodinamica, Elettromagnetismo, Meccanica quantistica, Struttura della materia, Fisica dello stato solido, Fisica dei semiconduttori



Frequenza lezioni

obbligatoria



Contenuti del corso

1) Introduzione: Fisica mescoscopica e nanotecnologie

Trends in nanoelettronica-Lunghezze caratteristiche in sistemi mesoscopici-Coerenza quantistica-Quantum wells, wires, dots-Densità degli stati e dimensionalità-Eterostrutture a semiconduttore

2) Richiamo di alcuni concetti di fisica dello stato solido

Dualismo onda-particella e principio di Heisenberg-Equazione di Schrödinger e applicazioni elementari-Distribuzione di Fermi-Dirac-Modello ad elettroni liberi per un solido-Funzione densità degli stati-Teorema di Bloch-Elettroni in un solido cristallino-Dinamica degli elettroni in bande energetiche (equazione del moto, massa efficace, lacune)-Vibrazioni reticolari e fononi

3) Richiamo di alcuni concetti di fisica dei semiconduttori

Bande di energia nei semiconduttori-Semiconduttori intrinseci ed estrinseci-Concentrazioni di elettroni e lacune nei semiconduttori-Proprietà di trasporto elementari nei semiconduttori (Trasporto in un campo elettrico, mobilità; conduzione per diffusione; equazione di continuità, tempo di vita dei portatori e lunghezza di diffusione)-Semiconduttori degeneri

4) Fisica dei semiconduttori a bassa dimensionalità

Proprietà fondamentali di nanostrutture a semiconduttore bidimensionali-Quantum well-Quantum wires-Quantum dots- Diagramma a bande per quantum wells

5) Nanostrutture a semiconduttore ed eterostrutture

Strutture MOSFET-Eterogiunzioni-Quantum well multiple-Eterostrutture (il concetto di eterostruttura ed il modello di Kronig-Penney)

6) Trasporto da campo elettrico nelle nanostrutture

Trasporto parallelo (meccanismi di scattering elettronico, alcune osservazioni sperimentali)-Trasporto perpendicolare (Tunneling risonante, effetti di campo elettrico nelle eterostrutture)-Trasporto quantistico nelle nanostrutture (Conduttanza quantizzata; formula di Landauer; Formula di Landauer-Büttiker; Coulomb blockade)

7) Trasporto da campo magnetico nelle nanostrutture ed effetto Hall quantistico

Effetto di un campo magnetico su un cristallo-Sistemi a bassa dimensionalità in un campo magnetico-densità degli stati di un sistema bidimensionale in un campo magnetico-L’effetto Aharonov-Bohm-l’effetto Shubnikov-de Haas-L’effetto Hall quantistico intero (fatti sperimentali e teoria elementare; stati di confine, stati estesi e stati localizzati)-L’effetto Hall quantistico frazionario

8) Dispositivi elettronici basati su nanostrutture

MODFET-Transistor bipolare ad eterogiunzione-Transistor a tunnelling risonante- Diodo Esaki-Transistor a singolo elettrone-Transistor a base grafene.



Testi di riferimento

1) “Nanotechnology for Microelectronics and Optoelectronics”, J. M. Martinez-Duart, R. J. Martin-Palma, F. Agullo-Rueda, Elsevier 2006

2) “Quantum Transport-Atom to transistor”, S. Datta, Cambridge University Press 2005

3) “Transport in Nanostructures”, D. K. Ferry, S. M. Goodnick, J. Bird, Cambridge University Press 2009

4) “The Physics of low-dimensional semiconductors-an introduction”, J. H. Davies, Cambridge University Press 1998.


Altro materiale didattico

http://nanostar.jimdo.com/didattica-fis-nanostrutture/



Programmazione del corso

 *ArgomentiRiferimenti testi
1*Introduzione: Fisica mescoscopica e nanotecnologie Trends in nanoelettronica-Lunghezze caratteristiche in sistemi mesoscopici-Coerenza quantistica-Quantum wells, wires, dots-Densità degli stati e dimensionalità-Eterostrutture a semiconduttore1,3 
2*Richiamo di alcuni concetti di fisica dello stato solido Dualismo onda-particella e principio di Heisenberg-Equazione di Schrödinger e applicazioni elementari-Distribuzione di Fermi-Dirac-Modello ad elettroni liberi per un solido-Funzione densità degli st1,4 
3*Richiamo di alcuni concetti di fisica dei semiconduttori Bande di energia nei semiconduttori-Semiconduttori intrinseci ed estrinseci-Concentrazioni di elettroni e lacune nei semiconduttori-Proprietà di trasporto elementari nei semiconduttori (Trasporto in1,4 
4*Fisica dei semiconduttori a bassa dimensionalità Proprietà fondamentali di nanostrutture a semiconduttore bidimensionali-Quantum well-Quantum wires-Quantum dots- Diagramma a bande per quantum wells1,2,3,4 
5*Nanostrutture a semiconduttore ed eterostrutture Strutture MOSFET-Eterogiunzioni-Quantum well multiple-Eterostrutture (il concetto di eterostruttura ed il modello di Kronig-Penney)1,2,3,4 
6*Trasporto da campo elettrico nelle nanostrutture Trasporto parallelo (meccanismi di scattering elettronico, alcune osservazioni sperimentali)-Trasporto perpendicolare (Tunneling risonante, effetti di campo elettrico nelle eterostrutture)-Trasporto quantis1,2,3,4 
7*Trasporto da campo magnetico nelle nanostrutture ed effetto Hall quantistico Effetto di un campo magnetico su un cristallo-Sistemi a bassa dimensionalità in un campo magnetico-densità degli stati di un sistema bidimensionale in un campo magnetico-L’effett1,2,3,4 
8*Dispositivi elettronici basati su nanostrutture MODFET-Transistor bipolare ad eterogiunzione-Transistor a tunnelling risonante- Diodo Esaki-Transistor a singolo elettrone-Transistor a base grafene.1,2,3,4 
* Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame.

N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame.


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

L'esame si svolge in una presentazione/tesina sviluppata dallo studente su un argomento inerente il programma del corso e concordato con i docenti. Prendendo spunto dalla presentazione/tesina sviluppata dallo studente, seguiranno domande sulla restante parte del programma.


PROVE IN ITINERE

non previste


PROVE DI FINE CORSO

L'esame si svolge in una presentazione/tesina sviluppata dallo studente su un argomento inerente il programma del corso e concordato con i docenti. Prendendo spunto dalla presentazione/tesina sviluppata dallo studente, seguiranno domande sulla restante parte del programma.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

http://nanostar.jimdo.com/didattica-fis-nanostrutture/




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