Course Syllabus
Obiettivi
Il corso si propone di fornire i concetti fondamentali della fisica delle nanostrutture di metalli e semiconduttori, nonché una panoramica delle principali e più moderne applicazioni tecnologiche per ciascuna tipologia di nanostruttura.
Obiettivi
Conoscenza e comprensione:
• Conoscenza dettagliata dei concetti e degli approcci di base nella ricerca sui materiali nanostrutturati.
• Comprendere i fenomeni derivanti dal nanoconfinamento
• Conoscenza delle applicazioni pratiche dei materiali nanostrutturati
Applicazione della conoscenza:
• Acquisizione della capacità di applicare le nozioni apprese nel corso alla descrizione efficace di materiali nanostrutturati.
Competenze comunicative:
• Acquisizione di capacità comunicative verbali e scritte in concetti avanzati di fisica e chimica dei materiali nanostrutturati.
Elaborazione di giudizi:
• Lo studente acquisirà la competenza di giudicare quali fenomeni ed osservabili per un dato sistema possano essere ricondotti agli effetti di nanostrutturazione.
Competenze di apprendimento
• Lo studente è in grado di estendere quanto appreso nelle lezioni a casi di studio non trattati durante il corso. In particolare è in grado di gestire autonomamente la vasta letteratura dedicata ai nanomaterialii.
Contenuti sintetici
Saranno forniti i concetti chiave sulla fisica delle nanostrutture e delle loro applicazioni con particolare attenzione agli effetti di dimensioni e taglia sulle proprietà elettroniche e ottiche dei materiali. Saranno inoltre fornite le nozioni di base sulle tecniche e metodi di sintesi e caratterizzazione dei materiali nanostrutturati.
Programma esteso
- Suddivisione “classica” delle nanostrutture per dimensionalità (0D, 1D, 2D) - Suddivisione per tipologia di materiale (metalli, semiconduttori, etc.).
- Panoramica degli effetti della nanostrutturazione su proprietà elettroniche, ottiche, dielettriche e meccaniche dei materiali.
- Nanostrutture metalliche: obiettivi di ricerca chiave nella moderna scienza delle nanostrutture metalliche - principali metodi di sintesi (“top-down” e “bottom-up”) di nanoparticelle metalliche - proprietà ottiche delle nanoparticelle metalliche, plasmoni di superficie, applicazioni (sensoristica, nanomedicina, optoelettronica).
- Nanostrutture a semiconduttore: confinamento quantistico - quantum wells - quantum wires - quantum dot - quantum dot colloidali - principali metodi e tecniche di sintesi/crescita - proprietà elettroniche - proprietà ottiche - proprietà optoelettroniche - applicazioni (LED, LASER, dispositivi fotovoltaici, bioimaging).
- Materiali di Van der Waals e nanostrutture derivate: metodologie per ottenere monostrati atomici, esfoliazione meccanica, esfoliazione liquida, epitassia di Van der Waals, CVD. Effetti del nano-confinamento estremo sulle proprietà elettroniche e meccaniche. Cenni alle applicazioni dei materiali 2D. Tecniche di ingegnerizzazione dei materiali 2D i.e. strain ed eterostrutture.
Prerequisiti
Conoscenza di meccanica quantistica e, dell'elettromagnetismo e della fisica dello stato solido. Conoscenze di base di termodinamica, e chimica e fisica dello stato solido.
Modalità didattica
Il corso prevede 24 lezioni da due ore (48 ore in totale) svolte in modalità erogativa in presenza (Didattica Erogativa).
L'insegnamento verrà erogato interamente in lingua italiana.
Materiale didattico
Le diapositive saranno messe a disposizione degli studenti attraverso la presente piattaforma e-learning.
Testi principali:
- Quantum Wells, Wires and Dots: Theoretical and Computational Physics of Semiconductor Nanostructures, Harrison & Valavanis 2016, John Wiley & Sons, Ltd (free online con credenziali unimib, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9781118923337);
- Metal nanoparticles: synthesis, characterization, and applications, Felheim & Foss, 2002, Marcel Dekker, New York;
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale, che sarà diviso in due parti.
Verrà valutata la preparazione generale dello studente sui contenuti del corso. In particolare, nella prima parte lo studente dovrà rispondere a domande riguardanti contenuti teorici/formali da cui derivano le proprietà dei materiali nanostrutturati. Nella seconda parte sarà invece valutata la conoscenza dello studente sulle principali applicazioni tecnologiche di una specifica classe di nanostrutture, selezionata tra quelle studiate durante il corso.
Non sono previste valutazioni in itinere.
Orario di ricevimento
Dal lunedì al venerdì a qualsiasi ora lavorativa (previo appuntamento con il docente via email).
Sustainable Development Goals
Aims
The scope of the course is to present fundamental physical concepts of metallic and semiconducting nanostructres and an overview of their main and more recent technological applications.
Learning Outcomes
Knowledge and understanding:
• Detailed knowledge of the basic concepts and approaches in nanostructured materials research.
• Understanding phenomena derived from quantum confinement.
• Knowledge of the practical applications of nanostructured materials in various fields.
Applying knowledge and understanding:
• Acquisition of the ability to apply the notions covered in the course to the effective description of nanostructured materials.
Communication skills:
• Aquisition of written and oral communication skilles on topics related to nanostructured materials physics and chemistry.
Making judgements:
• The student will acquire the competence to judge which phenomena and observable of a given material can be ascribed to nanostructuring.
Learning skills:
• The student can extend what he has learned in the lectures to case studies not covered during the course. In particular, he can independently manage the vast literature dedicated to nanostructured materials.
Contents
The course will give basic concepts of nanostructures physics and their applications with particular attention to the dimensionality effects on the electronic and optical properties of materials.
The course will also provide basic notions on the synthesis and characterization techniques for nanostructured materials.
Detailed program
- "Classical" distinction of nanostructured based on dimensionality (0D, 1D, 2D) - Subdivision for materials types (metals, semiconductors, etc).
- Overview of the nanostructuring effects on the electronic, optical, dielectrical and mechanical properties of materials.
- Metallic nanostructures: key research objectives of the modern science of metallic nanostructures - main synthesis methods ("top-down" and "bottom-up") of metallic nanoparticles - optical properties of metallic nanoparticles, surface plasmons, applications (sensors, nanomedicine, optoelectronics).
- Semiconducting nanostructures: quantum confinement - quantum wells - quantum wires - quantum dots - colloidal quantum dots - main synthesis and growth methods - electronic properties - optical properties - optoelectronic properties - applications ( LED, LASER, photovoltaics, bioimaging).
- Van der Waals materials and derived nanostructures: techniques to obtain atomically thin monolayers, mechanical exfoliation, liquid exfoliation. Van der Waals epitaxy, CVD. Effects of extreme nanoconfinement on electronic and mechanical properties. 2D materials applications. Engineering strategies for 2D materials i.e. strain and heterostructuring.
Prerequisites
Knowledge of quantum mechanics, classical electromagnetism. Basic knowledge of thermodynamics, solid state physics and chemistry.
Teaching form
The course will be structured in 24 in-person frontal lectures of two hours each (48 hours in total).
The lectures will be given in Italian.
Textbook and teaching resource
Slides will be made available to the students through the present e-learning platform.
Main textbooks:
- Quantum Wells, Wires and Dots: Theoretical and Computational Physics of Semiconductor Nanostructures, Harrison & Valavanis 2016, John Wiley & Sons, Ltd (free online with unimib credentials, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9781118923337);
- Metal nanoparticles: synthesis, characterization, and applications, Felheim & Foss, 2002, Marcel Dekker, New York;
Semester
Second semester
Assessment method
Oral exam divided in two parts.
The exam will assess the general preparation of the student on the contents of the course. In particular, in the first part the student will be asked questions regarding theoretical/formal contents from which the properties of nanostructured materials derive. The second part, will assess the student's knowledge of the main technological applications of a specific class of nanostructures, selected among those studied during the course.
There will be no ongoing assessments.
Office hours
From Monday to Friday at any working hour (an appointment should be arranged with the teacher by email).
