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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 053404 - INTRODUZIONE ALLE NANOTECNOLOGIE
Docente Li Bassi Andrea
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (348) INGEGNERIA DEI MATERIALI E DELLE NANOTECNOLOGIE*AZZZZ053404 - INTRODUZIONE ALLE NANOTECNOLOGIE
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (363) INGEGNERIA BIOMEDICA*AZZZZ094758 - INTRODUZIONE ALLE NANOTECNOLOGIE A

Obiettivi dell'insegnamento

L’insegnamento si propone di fornire allo studente gli strumenti per comprendere il fondamento fisico su cui si basano le nanotecnologie; in particolare verranno introdotti i rudimenti della meccanica quantistica ed il concetto di confinamento quantico (parte A). Lo studente riceverà inoltre (parte B) una prima introduzione alle nanotecnologie in generale, ai principali tipi di nanostrutture e nanomateriali e ai metodi per la loro fabbricazione, ad esempi selezionati di applicazioni o nanodispositivi, e alle microscopie a scansione di sonda, acquisendo gli strumenti di base necessari per successivi approfondimenti specialistici, teorici o sperimentali, nel campo delle nanotecnologie. Le due parti dell’insegnamento (A e B) si integrano in modo complementare e verranno svolte in parallelo.


Risultati di apprendimento attesi

A seguito del superamento dell’esame lo studente:

-        conoscerà la teoria e i principi fondamentali della meccanica quantistica, ed in particolare i concetti riguardanti l’applicazione della meccanica quantistica alla descrizione di sistemi di elettroni indipendenti in potenziali confinati (modello elementare di confinamento quantistico in una nanostruttura), e sarà in grado di discutere gli argomenti in modo chiaro e con linguaggio appropriato

-        sarà in grado di applicare gli strumenti della meccanica quantistica alla descrizione quantitativa degli stati quantistici di sistemi di particelle indipendenti in potenziali semplici (con particolare riguardo agli stati stazionari)

-        conoscerà le principali classi di nanostrutture e nanomateriali e i metodi utilizzabili per la loro sintesi e caratterizzazione mediante tecniche microscopiche avanzate

-        sarà inoltre in grado di affrontare successivi approfondimenti (ad es. in altri insegnamenti o corsi) nel campo delle nanotecnologie e della fisica quantistica.


Argomenti trattati

PARTE A

Richiami di fisica delle onde e di statistica.

Crisi della fisica classica e dualismo onda-particella: radiazione di corpo nero, effetto fotoelettrico, effetto Compton; il fotone; esperimento di Davisson-Germer (diffrazione di elettroni).

Introduzione alla meccanica quantistica:

- Le ipotesi di De Broglie

- Il principio di indeterminazione

- Funzione d'onda di un elettrone libero e sue proprietà; il pacchetto d’onde; postulato di Born

- Equazione di Schroedinger

- Operatori quantistici e loro proprietà

- Stati stazionari e relativi livelli energetici

- Buche e barriere di potenziale; l’effetto tunnel

- Esperimento di Stern-Gerlach; lo spin; simmetria di scambio, fermioni e bosoni, principio di esclusione di Pauli

- Statistiche quantistiche: Fermi-Dirac e Bose-Einstein

- Elettroni liberi in una 'scatola' di lato L (1D, 2D, 3D); la densità di stati elettronici

- Perché le proprietà della materia dipendono fortemente dalle dimensioni e dalla dimensionalità alla scala nanometrica (i limiti di L piccolo e L grande)

 

PARTE B

Definizioni di nanotecnologie. Il discorso di Feynman.

La fisica classica alla nanoscala; leggi di scala; il ruolo della superficie.

Classificazione delle nanostrutture; dalle nanostrutture ai nanomateriali (fabbricazione bottom-up e top-down).

Sistemi 0-dimensionali: cluster atomici, punti quantici (quantum dots); processi di nucleazione (omogenea, eterogenea), cenni alle tecniche di produzione; i fullereni di carbonio.

Sistemi 1-dimensionali: nanofili, nanotubi, nanotubi di carbonio; processi di crescita, cenni alle tecniche di produzione.

Sistemi 2-dimensionali: superfici, film sottili, multistrati; crescita di film sottili e cenni alle tecniche di produzione; grafene e film di carbonio. Cenni alla tecnologia del vuoto.

Fabbricazione top-down: cenni alle tecniche di litografia, soft-lithography, nanolitografia.

Esempi di proprietà dipendenti dalla scala; cenni a sistemi confinati più complessi, esempi di applicazioni.

Vedere e manipolare alla scala atomica e nanometrica: introduzione alla microscopia elettronica e alle microscopie a scansione di sonda (microscopia a forza atomica-AFM e microscopia a scansione a effetto tunnel-STM).

 

Oltre ai testi consigliati verrà reso disponibile materiale didattico a cura del docente.

 


Prerequisiti

Fondamenti di fisica classica (meccanica, termodinamica, fisica delle onde, elettromagnetismo) e di chimica.


Modalità di valutazione

L’esame (unico per la parte A e la parte B) consiste in una prova orale nella quale vengono discussi gli argomenti del programma. In particolare, l’esame verterà principalmente su due argomenti di carattere abbastanza generale scelti dal docente, uno relativo alla parte A (meccanica quantistica e confinamento quantico) e uno relativo alla parte B (nanomateriali, nanotecnologie, tecniche di caratterizzazione microscopica), che lo studente dovrà illustrare e discutere. Durante l’esame il docente potrà chiedere di approfondire aspetti o applicazioni specifiche dei concetti esposti, discutere aspetti quantitativi o spostare la discussione su temi affini.

L'esame può essere superato se entrambe le parti (A e B) sono almeno sufficienti. È necessario che lo studente sia in grado di conoscere, discutere e mostrare comprensione degli aspetti fondamentali dell’insegnamento, con adeguata chiarezza espositiva, utilizzando il formalismo e la terminologia appropriati, sapendo dimostrare/scrivere le formule o le derivazioni matematiche necessarie. Sebbene l'esame non consista nella risoluzione di esercizi ma soprattutto nella discussione di argomenti e concetti, durante la discussione il docente potrà chiedere di affrontare casi specifici e di svolgere esercizi o valutazioni numeriche, della stessa tipologia di quelli svolti a lezione o esercitazione. È richiesta la conoscenza delle principali costanti fisiche utilizzate.


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaV.V.Mitin, D.I.Sementsov, N.Z.Vagidov, Quantum Mechanics for Nanostructures, Editore: Cambridge University Press, Anno edizione: 2010, ISBN: 9780521763660
Risorsa bibliografica facoltativaG. Cao, Nanostructures and Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Applications, Editore: Imperial College Press, Anno edizione: 2004
Note:

E' stata pubblicata una seconda edizione del testo, pubblicata da World Scientific nel 2011 e avente come autori G. Cao e Y. Wang.


Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
65:00
97:30
Esercitazione
35:00
52:30
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilità di supporto didattico in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.5 / 1.6.5
Area Servizi ICT
25/11/2020