QUANTUM PHYSICS OF NANOSTRUCTURES

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. 

Il corso ha la finalità di fornire conoscenze qualitative e quantitative di base sugli argomenti della meccanica classica e della termodinamica inclusi nella sezione "Contenuti del corso", nonchè la capacità di sapere applicare il Metodo Scientifico alla risoluzione di problemi reali e concreti. In particolare, e con riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, il corso si propone di fornire le seguenti conoscenze e capacità. 

L’obiettivo formativo fondamentale consiste nella acquisizione di conoscenze approfondite relative alle proprietà, alla preparazione e stabilità dei materiali nanostrutturati, alla termodinamica delle nanostrutture e ai meccanismi di trasporto in nanostrutture, ai più recenti concetti di sensing quantistico.

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 termodinamiche delle nanostrutture, al trasporto in materiali nanostrutturati, alla preparazione ed uso di nanostrutture ed effetti quantistici per il sensing quantistico 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.

Il corso consta, anche, di attività di laboratorio che hanno l’obiettivo di fornire agli studenti i mezzi per comprendere i fenomeni fisici alla base di tecniche di caratterizzazione morfologica di nanostrutture e materiali inquadrando tali conoscenze e competenze nel contesto generale degli sviluppi più recenti nonché di acquisire conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla caratterizzazione morfologica di nanostrutture e materiali. In tal senso gli studenti acquisiranno autonomia e capacità critica nell’elaborazione di dati sperimentali (avendo contezza degli errori sperimentali e della sensibilità delle varie tecniche analitiche) e di produrre una relazione scientifica (documento o slides) che riassuma un percorso sperimentale eventualmente eseguito.

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

5 CFU di lezioni frontali corrispondenti a 35 ore e 1 CFU di attività di laboratorio corrispondenti a 15 ore.

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.

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

La frequenza al corso è di norma obbligatoria (consultare il Regolamento Didattico del Corso di Studi)

PARTE A: NANOTECNOLOGIE, NANOSTRUTTURE E TRASPORTO ELETTRONICO IN NANOSTRUTTURE

1) Introduzione: Fisica mesoscopica e nanotecnologie

Trends in nanoelettronica-Lunghezze caratteristiche in sistemi mesoscopici-Coerenza quantistica- Quantum wells, quantum wires, quantum 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 e 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.

PARTE B: TERMODINAMICA DELLE NANOSTRUTTURE E CONNESSE CARATTERISTICHE STRUTTURALI

1) Termodinamica delle nanostrutture

Effetti delle dimensioni e del confinamento-Atomi di superficie e rapporto superficie/volume-Energia e stress superficiali-Effetti sul parametro reticolare-Energia superficiale e teorema di Wulff-Costruzione di Wulff e forma di equilibrio di nanocristalli-Forma di equilibrio di nanocristalli supportati su un substrato (teorema di Kaichew-Wulff)-Costruzione di Wulff inversa-Transizione solido-liquido in nanostrutture (energia di coesione e temperatura di fusione dipendenti dalla dimensione, modelli teorici e paragone con i dati sperimentali).

2) Nanostrutture su substrati e in matrici

Controllo della dimensione e della densità di nanostrutture su superfici e in matrici-Termodinamica e cinetica dei processi di nucleazione e crescita (concetti basilari e dati sperimentali)-Ripening e coalescenza (equazioni basilari e confronto con i dati sperimentali)-Tipici valori delle energie di attivazione e dei coefficienti di diffusione.

3) Dewetting di film sottili su substrati

Stabilità e instabilità termodinamica di film sottili su substrati-Wetting, dewetting, angolo di contatto, equazione di Young-Processo di dewetting di un film sottile su un subtrato: formazione di nanoparticelle-Dewetting allo stato liquido e allo stato solido-Instabilità di Rayleigh-Dipendenza della dimensione delle nanoparticelle e spaziatura tra le nanoparticelle dallo spessore del film a da altri parametri di processo-Dewetting di film sottili su substrati indotto da processi termici, processi di irraggiamento laser, irraggiamento ionico, irraggiamento elettronico-Dewetting su substrati pre-patternati.

4) Metodi particolari di nanostrutturazione e per il cambio di forma delle nanostrutture

Controllo della forma di nanostrutture metalliche in matrici isolanti tramite irraggiamenti ionici ad alta energia (elongazione e ripening inverso)-Instabilità termodinamica di nanorods e cambio di forma spontaneo-Embedding spontaneo di nanoparticelle metalliche in film polimerici-Deposizioni "shadowed" di film su substrati per produrre nanostrutture di forma complessa.

PARTE C: APPLICAZIONI (SENSING QUANTISTICO, MICROSCOPIE A SCANSIONE DI SONDA)

1) Sensing quantistico

La seconda rivoluzione quantistica-Sensing quantistico e sensori quantistici: definizioni-Approcci al sensing quantistico (Atomi neutri come sensori di campo magnetico, ioni intrappolati, atomi di Rydeberg, Spin in sistemi a stato solido, circuiti superconduttori, fotoni, plasmoni), principi e protocolli-Sensing quantistico basato su tecniche spettroscopiche-Sensibilità quantistica ed effetto del rumore-Utilizzo di sistemi nanostrutturati, molecolari, fotoni per il sensing quantistico in ambito ambientale e biomedicale-Realizzazioni sperimentali e alcuni risultati.

2) Microscopie a scansione di sonda (Attività di laboratorio)

Il principio della sonda locale-Il microscopio a scansione tunnel e il microscopio a forza atomica: apparati sperimentali, principi di funzionamento, modi operativi-Acquisizioni immagini, analisi immagini e dati, artefatti-Il microscopio a forza atomica conduttivo ed altre modalità elettriche di misura-Nanofabbricazione utilizzando il microscopio a forza atomica: manipolazione di atomi e nanostrutture, nanolitografia, ossidazione locale-Confronto con il microscopio elettronico a scansione.

PARTE A

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

PARTE B

5) "Nanomaterials and Nanochemistry", C. Bréchignac, P. Houdy, M. Lahmani, Springer 2006

6) "Nanoscience-Nanotechnologies and Nanophysics", C. Dupas, P. Houdy, M. Lahmani, Springer 2004

7) "Introduction to surface and thin film processes", J. A. Venables, Cambridge University Press 2003

8) "Nucleation theory and growth of nanostructures", V. G. Dubrovskii, Springer 2014

9) "Polymer films with embedded metal nanoparticles", A. Heilmann, Springer 2003

PARTE C

10) C. L. Degen, F. Reinhard, P. Cappellaro, Quantum Sensing, Reviews of Modern Physics, volume 89, pag. 035002 (2017)

11) J. Xavier, D. Yu, C. Jones, E. Zossimova, F. Vollmer, Quantum nanophotonic and nanoplasmonic sensing: towards quantum optical bioscience laboratories on chip, Nanophotonics, volume 10, pag. 1387 (2021)

12) C. –J. Yu, S. von Kugelgen, D. W. Laorenza, D. E. Freedman, A Molecular Approach to Quantum Sensing, ACS Central Science, volume 7, pag. 712 (2021)

13) V. Chugh, A. Basu, A. Kaushik, Av. K. Basu, Progression in Quantum Sensing/Bio-Sensing Technologies for Healthcare, ECS Sensors Plus, volume 2, pag. 015001 (2023)

14) V. Chugh, A. Basu, N. K. Kaushik, A. Kaushik, Y. K. Mishra, A. K. Basu,

Smart nanomaterials to support quantum-sensing electronics, Materials Today Electronics, volume 6, pag. 100067 (2023)

15) I. B. Djordjevic, Quantum Communication, Quantum Networks, and Quantum Sensing, Academic Press-Elsevier, 2022

16) D. Sarid, “Scanning Force Microscopy: with Applications to Electric, Magnetic, and Atomic Forces”, Oxford University Press, 1994.

17) V. L. Mironov, Fundamentals of Scanning Probe Microscopy, 2004

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.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquiopersonale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici edalle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro l'Integrazione Attiva ePartecipata - Servizi per le Disabilità e/o DSA) del Dipartimento, prof.ssa Catia Petta.

Gli argomenti di seguito riportati non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano solo alcuni esempi

• 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
• Forma di equilibrio di nanocristalli e costruzione di Wulff
• Andamento della temperatura di fusione di nanostrutture con le dimensioni
• Instabilità di Rayleigh
• Differenze tra dewetting di film sottili allo stato solido e allo stato liquido
• Energia superficiale delle nanostrutture
• Definizione di sensing quantistico
• Effetto del rumore nel sensing quantistico
• Approcci sperimentali per la realizzazione di sensori quantistici
• Principio di funzionamento della microscopia a scansione di sonda
• Microscopio a scansione tunnel: apparato sperimentale e funzionamento
• Microscopio a forza atomica: apparato sperimentale e funzionamento
• Analisi immagini e dati acquisiti con un microscopio a forza atomica