PHYSICS OF NANOSTRUCTURES

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 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.

lezioni frontali

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 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.

9) Nanotecnologie e stabilità

Richiami di termodinamica

Diagrammi di fase binari

Energia superficiale

Forme d’equilibrio dei solidi, gamma plot

Cluster atomici

Transizioni di fase del primo e secondo ordine

Stabilità delle fasi, overheating e supercooling

Metodologie fisiche per la realizzazione di nanostrutture

Trattamenti in condizioni lontane dall'equilibrio per la realizzazione di nanostrutture

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.

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.

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