PHYSICS AND TECHNOLOGY OF TWO-DIMENSIONAL MATERIALS AND DEVICES

L’obiettivo formativo fondamentale consiste nella acquisizione di conoscenze approfondite relative alle proprietà, alla preparazione e stabilità dei materiali bidimensionali (semimetalli, semiconduttori e metalli) ed ai meccanismi di trasporto in materiali disordinati a bassa dimensionalita’.

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di comprendere ed inquadrare in un contesto generale gli sviluppi più recenti relativi alla sintesi, alle proprietà ottiche e di trasporto in materiali bidimensionali (giant Faraday rotation, anomalous Berry phase, Klein tunnelling), focalizzando l’attenzione sull’esempio del grafene e dei calcogenuri di transizione. In una seconda parte corso vertera’ verso lo studio del trasporto in materiali bidimensionali disordinati e granulari, affrontando la teoria della localizzazione (stati localizzati ed estesi, localizzazione di Anderson, finite temperatures ed effetti di scattering inelastico), il trasporto tra stati localizzati a temperature finite e trasporto mediante hopping (VRH, NNH, ES-VRH), concetti di localizzazione forte e debole per materiali metallici disordinati e per strutture a bassa dimensionalita’.

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.

Obbligatoria

1) Introduzione a graphene e materiali bidimensionali: dai materiali 3D con legami di Van der Waals a materiali bidimensionali. L’esempio del grafene.
2) 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).
3) Proprieta' ottiche dei materiali 2D nel visibile e nel vicino infrarosso.
4) Sintesi di materiali bidimensionali: Mechanical exfoliation, Chemical vapour deposition, Solution Processing (Liquid phase, chemical routes), Nano-compositi.
5) Dispositivi nanostrutturati: giunzioni di materiali 2D. Giunzioni ibride e disporitivi ibridi 1D-2D o quantum-dots/grafene. Field-effect transistor con materiali 2D.
6) Film sottili trasparenti e conduttori: Confronto con TCO, applicazioni in elettronica flessibile e stampata.
7) Trasporto in materiali disordinati e granulari.
8) Concetti di localizzazione forte e debole per materiali metallici disordinati e per strutture a bassa dimensionalita’.
9) Teoria della localizzazione (stati localizzati ed estesi, localizzazione di Anderson, finite temperatures ed effetti di scattering inelastico).
10) Trasporto tra stati localizzati a temperature finite e trasporto mediante hopping (VRH, NNH, ES-VRH).

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

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

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

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

5) "Electronic Processes in Non-crystalline Materials" Oxford University Press, 1979.

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
• Techniche di produzione e sintesi di materaili bidimensionali
• Klain Tunnelling, Faraday rotation
• Proprieta' ottiche dei materiali bidimensionali
• Formula di Landauer e Kubo con applicazione nel caso del grafene.
• Quantizzazione della conduttanza
• Quantizzazione del flusso di campo magnetico
• Effetto Hall quantistico in grafene
• Giunzione metallo-grafene
• Transistor a effetto di campo con graphene
• Applicazioni del grapfene per elettrodi trasparenti e conduttori
• Dispositivi elettronici stampati a based di grafene