PHYSICS OF NANOSTRUCTURES

L’obiettivo formativo fondamentale consiste nella acquisizione di conoscenze approfondite relative alle proprietà, alla preparazione e stabilità dei materiali nanostrutturati ed ai meccanismi di trasporto in nanostrutture.

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di comprendere ed inquadrare in un contesto generale gli sviluppi più recenti relativi alle nanotecnologie, alle proprietà ottiche delle nanostrutture, al trasporto in materiali nanostrutturati, ed alla loro applicazione anche in campo interdisciplinare. Lo studente avrà acquisito padronanza del metodo scientifico e sarà in grado di applicarlo anche a situazioni complesse utilizzando con padronanza la stima degli ordini di grandezza e le approssimazioni necessarie per la descrizione del fenomeno. Lo studente acquisirà capacità di approfondimento autonomo e sarà in grado di reperire la letteratura specializzata per gli approfondimenti prescelti. Lo studente dovrà dimostrare di avere acquisito capacità di presentare ad un pubblico di specialisti un argomento di ricerca attuale.

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce ad acquisire le seguenti competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione:

• Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica Moderna sia negli aspetti teorici che di laboratorio e delle loro interconnessioni, anche in campi interdisciplinari
• Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e dei procedimenti della ricerca in Fisica

Capacità di applicare conoscenza:

• Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste
• Capacità di utilizzare lo strumento della analogia per applicare soluzioni conosciute a problemi nuovi (problem solving)
• Capacità di progettare e di mettere in atto procedure sperimentali e teoriche per risolvere problemi della ricerca accademica e industriale o per il miglioramento dei risultati esistenti

Autonomia di giudizio:

• Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, confrontandosi nell’ambito di gruppi di lavoro

Abilità comunicative:

• Capacità di comunicare in lingua italiana e in lingua inglese nei settori avanzati della Fisica
• Capacità di presentare una propria attività di ricerca o di rassegna a un pubblico di specialisti o di profani

Capacità di apprendimento:

• Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo prescelto che in campi scientificamente vicini
• Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarne informazioni e spunti atti a meglio inquadrare e sviluppare il proprio lavoro di studio e di ricerca

Lezioni frontali (modalita’ di lezione da remoto tramite Microsoft Teams saranno utilizzate in caso di restrizioni delle attivita’ frontali, come da direttive d’Ateneo).

Durante ogni lezione verrà dato spazio agli studenti per domande e commenti. L’interazione docente-studente durante le lezioni costituisce uno degli aspetti didattici-educativi fondamentali del corso.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Sono indispensabili estese ed approfondite conoscenze di: Termodinamica, Elettromagnetismo, Meccanica quantistica, Struttura della materia, Fisica dello stato solido, Fisica dei semiconduttori.

Obbligatoria

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 magneticodensità 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.

9) Introduzione a graphene e materiali bidimensionali: dai materiali 3D con legami di Van der Waals a materiali bidimensionali. L’esempio del grafene.

10) La struttura elettonica e le proprieta' elettriche e ottiche: trasporto di portatori in grafene. Film nanostrutturati di grafene. Effetti quantistici dovuti alla struttura bidimensionale (quantum Hall effect and Faraday rotation).

11) Proprieta' ottiche dei materiali 2D nel visibile e NIR. Culomb drag e exciton condensation in grafene.

12) Sintesi di materiali bidimensionali: Mechanical exfoliation, Chemical vapour deposition, Solution Processing (Liquid phase, chemical routes), Nano-compositi

13) Dispositivi nanostrutturati: Eterogiunzioni di materiali 2D. Giunzioni ibride e disporitivi ibridi 1D-2D o quantum-dots/grafene. Field-effect transistor con materiali 2D.

14) Film sottili trasparenti e conduttori: Confronto con TCO, Applicazioni in elettronica flessibile e stampata.

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

5) “The Physics of graphene”, M. I. Katsnelshon, Cambridge University Press.

MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

L'esame consiste 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. La valutazione terrà conto del livello di approfondimento dell'argomento, della conoscenza degli argomenti di base, della proprietà di linguaggio, della chiarezza espositiva, della capacità di individuare applicazioni anche interdisciplinari.

La durata tipica della prova orale va da 30 a 45 minuti.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

APPELLI D'ESAME

Per la prova orale sono fissati 2 appelli nel I periodo di sessione di esami, 2 appelli nel II periodo di sessione di esami e 2 appelli nel III periodo di sessione di esami.

Sono inoltre fissati 2 appelli riservati a studenti fuori corso e ritardatari (comma 5 e 5 bis del regolamento didattico d’ateneo) durante la sospensione della attività didattica, generalmente nel periodo aprile/maggio oppure novembre/dicembre.

Non sono previsti ulteriori appelli oltre quelli approvati dalla segreteria didattica.Consultare il Calendario di Esami al sito: https://www.dfa.unict.it/corsi/LM-17/esami.

ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

Alcuni argomenti tipicamente oggetto di domanda durante la prova orale sono i seguenti:

• Densità degli stati elettronici in nanostrutture zero-, uni-, bi-dimensionali
• Caratteristiche del trasporto di carica in nanostrutture zero-, uni-, bi-dimensionali
• Tunneling transport
• Eterostrutture e super-reticoli
• Formula di Landauer
• Quantizzazione della conduttanza
• Quantizzazione del flusso di campo magnetico
• Effetti di singolo elettrone: Coulomb blockade, Coulomb staircase, Coulomb oscillations
• Effetti di singolo elettrone: energia di carica e modello a interazione costante
• Effetto Hall quantistico intero
• Diodo tunnel risonante
• Resistenza differenziale negativa
• Transistor a singolo elettrone
• Effetto Aharonov-Bohm
• Livelli di Landau