Insegnamenti

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



Informazioni aggiuntive

Corso Percorso CFU Durata(h)
[70/83]  INGEGNERIA ELETTRONICA [83/25 - Ord. 2018]  ELECTRONIC TECHNOLOGIES FOR EMERGING APPLICATIONS 5 50

Obiettivi

Lobiettivo formativo generale è di acquisire competenze e conoscenze coerenti con gli obiettivi formativi del Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica, Elettronica e Informatica, declinate secondo i cinque Descrittori di Dublino secondo quanto dettagliato qui di seguito:

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 potenzialità dei dispositivi nanoelettronici sulla base dei principi fisici legati all'ingegnerizzazione della funzione d'onda elettronica.

Autonomia di giudizio: lo studente svilupperà autonomia di giudizio nel selezionare il più appropriato concetto fisico da applicare al caso ingegneristico di interesse.

Abilità comunicative: lapproccio didattico e le modalità di accertamento della conoscenza acquisita permetteranno allo Studente di far propri i fondamenti del linguaggio scientifico e lo abitueranno a comunicare le nozioni e i metodi appresi, nonché a formalizzare specifici problemi ingegneristici in termini di modelli fisici.

Capacità di apprendere: le modalità di insegnamento stimoleranno lo studente ad integrare le nozioni sviluppate in questo corso tanto con le conoscenze disciplinari acquisite da altri insegnamenti quanto con le informazioni acquisite da altre varie fonti.
Gli consentiranno, altresì, di conseguire una visione ampia delle problematiche connesse allanalisi fisica dei dispositivi nanoelettronici.

Prerequisiti

- Conoscenze : al fine di intraprendere proficuamente lo studio della Nanoelettronica lo Studente deve avere una conoscenza adeguata della Meccanica quantistica di base, della Fisica dei Semiconduttori e dellElettronica dello stato solido.
- Abilità : le abilità necessarie riguardano la conoscenza operativa di analisi matematica, la capacità e labilità di formalizzazione di un dato problema fisico in termini di leggi fondamentali.
- Competenze : capacità di calcolo analitico, comprensione degli ordini di grandezza dei fenomeni quantistici e di manipolazione numerica.

Contenuti

1) 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
-Cenni sugli OLED (Organic Light Emitting Diode)

2) Dispositivi basati sull'effetto tunnel elettronico (5 ore)
-Diodo ad effetto tunnel risonante
-Diodi a tunnel risonante con tripla barriera e doppia buca
-Porte logiche basate su giunzioni a superconduttore

3) Transistor a singolo elettrone ed elettronica molecolare (5 ore)
-Transistor a singolo elettrone
-Transistor ad interferenza quantistica (QUIT)
-Utilizzo do singole molecole organiche come elementi attivi nei circuiti elettronici
-Prototipi di memorie ram costituite da array di nanotubi di carbonio.
-Prototipi di processori 16-bit ottenuti sfruttando lauto aggregazione di molecole organiche su substrati inorganici

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

5) 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
-Celle solari organiche e ibride (DSSC e celle solari polimeriche)
-Produzione di idrogeno attraverso il solare -Dissociazione catalitica dellacqua in idrogeno e ossigeno

6) Cenni di computazione quantistica (5 ore)
-Il concetto di qubit e di trattazione quantistica dellinformazione.
-Schemi concettuali di computer quantistici

7) Laboratorio di analisi computazionale delle proprieta' elettroniche e morfologiche di materiali nanostrutturati (10 ore)
-Tecniche computazionali per l'analisi della struttura elettronica: teoria del funzionale densita'
-Tecniche computazionali per l'analisi delle proprieta' morfologiche: dinamica molecolare classica.

Metodi Didattici

Il corso prevede 25 incontri per un totale di 50 ore di lezioni frontali. Alcuni argomenti verranno presentati in maniera fenomenologica, altri in maniera più approfondita con la derivazione esplicita dei risultati principali.
-- Metodi e tecniche di interazione didattica in presenza:
interazione diretta tra Docente e Studente attraverso il dialogo in aula sollecitato dal Docente stesso. Comunicazione verbale durante il ricevimento

-- Interazione tra metodi e tecniche di insegnamento e di apprendimento:
combinazione di didattica frontale, guidata ed interattiva con l'utilizzo di strumenti informatici e di supporti multimediali;

-- Metodi e tecniche di interazione didattica a distanza:
comunicazione scritta attraverso luso della posta elettronica e condivisione di informazioni tramite pagina on-line di questo insegnamento, disponibile sul sito-docente.

I riferimenti saranno: un credito 25 ore, di cui 15 di studio e 10 di attività frontale.

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.

Questionario e social

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