FISICA DELLE NANOSTRUTTURE

Anno accademico 2016/2017 - 2° anno - Curriculum FISICA DELLA MATERIA
Docenti: Maria Grazia GRIMALDI e Francesco RUFFINO
Crediti: 6
SSD: FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE
Organizzazione didattica: 150 ore d'impegno totale, 102 di studio individuale, 48 di lezione frontale
Semestre:

Obiettivi formativi

Acquisire 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 più generale le pubblicazioni più recenti relativa a nanotecnologie, nanostrutture e loro applicazioni.


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.



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.


Esempi di domande e/o esercizi frequenti