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70/LM-0067 - NANOELETTRONICA

Anno Accademico 2017/2018

Docente
CLAUDIO MELIS (Tit.)
Periodo
Primo Semestre 
Modalità d'Erogazione
Convenzionale 
Lingua Insegnamento
 



Informazioni aggiuntive

CorsoPercorsoCFUDurata(h)
[70/83]  INGEGNERIA ELETTRONICA [83/00 - Ord. 2016]  PERCORSO COMUNE660
Obiettivi

• Conoscenza e capacità di comprensione: approfondire la comprensione dei concetti di base della meccanica quantistica per lo studio delle nanostrutture di impiego in elettronica, nella produzione di energia e nell'optoelettronica.
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
capacità di individuare i limiti e le potenzialita' dei dispositivi
nanoelettronici sulla base dei principi fisici legati all'ingegnierizzazione della funzione d'onda elettronica.
• Abilità comunicative: capacità di esprimere chiaramente e rigorosamente i principi della meccanica quantistica alla base del funzionamento dei dispositivi nanoelettronici

Prerequisiti

Fisica dei semiconduttori.
Elettronica dello stato solido.

Contenuti

1) Richiami di meccanica quantistica (10 ore)
-Atomo di Bohr
-Esperimento di Stern-Gerlach
-Principio di indeterminazione di Heisenberg
-Equazione di Schröedinger
-Particella intrappolata in una dimensione
-Riflessione e tunnel in un gradino di potenziale
-Oscillatore armonico semplice
-Atomo di idrogeno
-Molecole (Ioniche e covalenti)

2) Nuovi elementi costitutivi per i dispositivi elettronici di scala nanometrica. (10 ore)
-La molecola di Benzene
-Il grafene, conduzione elettronica -Il grafene epitassiale -Possibili applicazioni del grafene
-Nanotubi di Carbonio
-Conduttori unidimensionali:Nanofili
-Quantum Dots -Elettroni e lacune in un Quantum Dot 3D
-Quantum Well e gas di elettroni 2D
-Molecole organiche e polimeri conduttori

3)Dispositivi basati sull'effetto tunnel elettronico. (10 ore)
-Diodo ad effetto tunnel risonante
-Diodo Esaki
-Diodi a tunnel risonante con tripla barriera e doppia buca
-Porte logiche basate su giunzioni a superconduttore

4) Transistor a singolo elettrone ed elettronica molecolare (10 ore)
-Field effect transistor: -MOSFET -Transistor a singolo elettrone
-Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici
-Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:CMOL
-Nanotubi di carbonio per applicazioni di memorie ram
-Processori 16-bit basati sull’auto aggregazione di molecole

Spintronica (5 ore)
-Dispositivi basati sullo spin elettronico e sul ferromagnetismo -Ferromagneti hard e soft –
-Origine della magnetoresistenza gigante -Scattering degli elettroni dipendente dallo spin -La valvola di spin GMR -La valvola ad effetto tunnel

6) Applicazione della nanoelettronica nel campo delle energie rinnovabili (10 ore)
-Celle solari fotovoltaiche
-celle solari tandem -Celle solari a film sottile vs. celle solari cristalline -Celle solari a film sottile CIGS
-Produzione di idrogeno attraverso il solare -Dissociazione catalitica dell’acqua in idrogeno e ossigeno

7) Computazione quantistica (5 ore)
-Il concetto di qubit e di trattazione quantistica dell’informazione.
-Schemi concettuali di computer quantistici

Metodi Didattici

Il corso prevede 30 incontri per un totale di 60 ore di lezioni frontali. Alcuni argomenti verranno presentati in maniera fenomenologica, altri in maniera più approfondita con la derivazione esplicita dei risultati principali.

Verifica dell'apprendimento

La modalità di verifica prevede una prova orale in cui vengono proposte 3 domande riguardanti i) nuovi elementi costitutivi per i dispositivi elettronici di scala nanometrica ii) dispositivi basati su fenomeni quantistici iii) applicazioni della nanoelettronica nel campo delle energie rinnovabili.

Lo studente dovrà dimostrare di
i) saper collegare chiaramente e rigorosamente i principi della meccanica quantistica alla descrizione dei principi di base del funzionamento dei dispositivi nanoelettronici
ii) di individuare i limiti e le potenzialita' dei dispositivi
nanoelettronici sulla base dei principi fisici legati all'ingegnierizzazione della funzione d'onda eletronica.

Il punteggio della prova di esame attribuito mediante un voto espresso in trentesimi.
Nella valutazione dell'esame la determinazione del voto finale tiene conto dei seguenti elementi:
1) la capacità di individuare gli effetti quantistici nella descrizione del funzionamento di un dispositivo
2) la conoscenza rigorosa delle leggi della meccanica quantistica
3) l'impiego di un adeguato linguaggio
Il soddisfacimento degli aspetti 1) e 2) è condizione necessaria per il raggiungimento di una valutazione pari a 26/30. I voti superiori a 26/30 saranno attribuiti agli studenti le cui prove soddisfano tutti e tre gli aspetti sopra elencati.

Per superare l'esame, riportare quindi un voto non inferiore a 18/30, lo studente deve dimostrare di avere acquisito una conoscenza sufficiente delle proprietà degli elementi costitutivi per i dispositivi elettronici di scala nanometrica, una conoscenza di base dei dispositivi basati su fenomeni quantistici e deve dimostrare di saper collegare in modo appropriato le leggi della meccanica quantistica con le proprietà dei dispositivi di scala nanometrica.


Per conseguire un punteggio pari a 30/30 lo studente deve dimostrare di aver acquisito una conoscenza eccellente di tutti gli argomenti trattati durante il corso.

Testi

1. D.A.B. Miller, “Quantum mechanics for scientists and engineers’’ (Cambridge University Press, 2008)
2. J.H. Davies “The physics of low-dimensional semiconductors” (Cambrdge University Press, 2000)
3. E.L. Wolf, “Quantum Nanoelectronics: An Introduction to Electronic Nanotechnology and Quantum Computing” (Wiley,
2009)
4. V.V. Mitin, V.A. Kochelap, M.A. Stroscio, “Introduction to Nanoelectronics” (Cambridge University Press, 2007)
5. M. Di Ventra, “Electrical transport in nanoscale systems” (Cambridge University Press, 2008)

Altre Informazioni

I lucidi di lezione saranno resi disponibili ad integrazione del libro di testo.

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