NANOTECNOLOGIE

Scheda dell'insegnamento

Anno accademico di regolamento: 
2015/2016
Anno di corso: 
2
Anno accademico di erogazione: 
2016/2017
Tipo di attività: 
Obbligatorio
Lingua: 
Italiano
Crediti: 
6
Ciclo: 
Primo Semestre
Ore di attivita' didattica: 
48

Moduli

Metodi di valutazione

Tipo di esame: 
Orale
Modalita' di verifica dell'apprendimento: 

Prova orale

Valutazione: 
Voto Finale

Obiettivi formativi

L’argomento di questo Corso sono le Nanotecnologie come scienza multidisciplinare, che si è recentemente sviluppata a partire dai diversi contributi della fisica, della chimica dell’ingegneria e della biologia. Si sono quindi privilegiati gli aspetti concettuali, di sintesi e di manipolazione trasversali a diversi materiali, sottintendendo che la caratteristica del controllo a scala nanometrica accomuna tutte le procedure nanotecnologiche. Non saranno analizzate sistematicamente nanostrutture particolari, o per specifiche applicazioni, perché molte di queste sono trattate all’interno degli insegnamenti dedicati alle diverse classi di materiali, ma un cfu di esercitazioni completa con maggior dettaglio preparativo alcuni esempi notevoli.
L’indicazione di diverse fonti bibliografiche per approfondimento, in aggiunta ad un paio di testi principali (spesso troppo sintetici, disuniformi o superficiali) è purtroppo una necessità ineluttabile, dovuta al fatto che le Nanotecnologie rappresentano una scienza giovane, tutt’altro che consolidata. Allo studente si lascia quindi il compito di approfondire a piacimento quelle tematiche, che possono essere più interessanti per la propria formazione o per il proprio lavoro di Tesi. Il corso non richiede particolari conoscenze chimiche, perché quanto necessario sarà fornito consistentemente.

Contenuti

INTRODUZIONE ALLE NANOTECNOLOGIE ED ELEMENTI DI NANOSCIENZA
- Introduzione al concetto di Nanotecnologia. La visione di Feyneman, la visione di Drexler; un po’ di zoologia: nanoparticelle, materiali nanostrutturati e nanoporosi, nanodispositivi e molecular electronics, nanomotori e nanosensori. Reff. (1) §1.1; (3) §1; (5) §7.
- Effetti della ridotta dimensionalità sulle proprietà di stato fondamentale: cenni di stabilità strutturale di wires e clusters; nuovo significato delle variabili termodinamiche; proprietà reologiche e meccaniche determinate dal rapporto superficie/volume; dalla microfluidica alla nanofluidica., Ref. (2) §4; articoli di magazine.
- Effetti della ridotta dimensionalità sulle proprietà di stato eccitato: generalità sul confinamento elettronico e fononico ed effetti sulle proprietà ottiche; principi del trasporto mesoscopico e dei fenomeni di tunneling con effetti sulle proprietà di trasporto elettrico e termico. Reff. (4) §18; (6) §11
- Generalità sui metodi di fabbricazione, in relazione alle tipologie dei materiali e alla morfologia dei prodotti. Ref. (1) §1.4
- Richiami sulle tecniche di analisi, con enfasi sulle tecniche di microscopia a risoluzione nanometrica: AFM e STM, TEM e SEM. Dip pen nanolithography e tecniche di nano posizionamento basato su strumenti a scansione di sonda. Reff. (1) §2.2-2.5; (2) §3; (4) §18
- Principali settori industriali di applicazione, con alcuni esempi, e cenni sui rischi ambientali e di salute. Ref. (3) §2.

Testi ausiliari:
(3) Nanotechnology Applications and Markets, L. Gasman. Artech House, Boston, 2006;
(4) Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, C.Kittel. Editrice Ambrosiana, Milano, 2008;

Altre fonti:
(5) Feyneman and Computation, A.J.G. Hey Editor. Perseus Books, Reading, Mass., 1999;
(6) Nanomaterials from Research to Applications, H. Hosono et al. Editors. Elsevier, Oxford, 2006.

NANOSTRUTTURE INORGANICHE PER ICT E SENSORISTICA
- Elementi di deposizione ed etching selettivi: processi di litografia a livello micrometrico. Nanolitografie per electron beam e per focussed ion beam; softprinting.
- Crescita di nanostrutture epitassiali autoassemblate: etroepitassia con misfit reticolare, droplet epitaxy e quantum wires da catalizzatore metallico.
- Arrays di nanostrutture: ordinamento spontaneo bidimensionale tridimensionale da interazione elastica, ordinamento da patterning del substrato. Precipitati epitassiali in matrice solida: dots e platlets.
- Confinamento e band offset in strutture bidimensionali, mono-dimensionali e zero-dimensionali. Superreticoli.
- Processi di trasporto elettrico in nanostrutture: tunneling, trasporto ballistico, Coulomb blockade.
- Processi optoelettronici e caratterizzazione ottica di nanostrutture.
- Processi magnetici, cenni di spintronica e magnetotrasporto in nanostrutture.
- Nanowires di semiconduttori.
- Nanoparticelle a base carbonio: grafene, fullereni e CNT

Ref. (1) §3; §4; (2) §9; §10.1

Altre fonti:
Low-dimensional semiconductor structures, K. Barnham and D. Vveddesky Eds., Cambridge University Press, Cambridge 2001.
Nanophysics and Nanotechnology, E.W. Wolf. Johm Wiley and Sons, Weinheim 2006, second edition.

PREPARAZIONE DI NANOPARTICELLE INORGANICHE E LORO DISPERSIONE
- Sintesi di nanoparticelle inorganiche (ossidi, metalli). Sintesi per combustione di precursori (fumed silica, carbon black, titania,.). Sintesi per via sol-gel di ossidi inorganici, utilizzo di microemulsioni, metodi idrotermali e solvotermali.
- Sintesi di graphene, fullereni e CNT: laser ablation, scarica d’arco, e chemical vapor deposition. Purificazione.
- Sintesi di quantum –dots e particelle core-shell di semiconduttori con metodi colloidali e loro funzionalizzazione superficiale (place Exchange reactions).
- Tecniche di preparazione meccanica di materiali nanostrutturati: ball milling, mechanical alloying, mechanofusion.
- Dispersione e stabilizzazione di nanopolveri in matrice polimerica: disgregazione degli aggregati

Programma esteso

INTRODUZIONE ALLE NANOTECNOLOGIE ED ELEMENTI DI NANOSCIENZA
- Introduzione al concetto di Nanotecnologia. La visione di Feyneman, la visione di Drexler; un po’ di zoologia: nanoparticelle, materiali nanostrutturati e nanoporosi, nanodispositivi e molecular electronics, nanomotori e nanosensori. Reff. (1) §1.1; (3) §1; (5) §7.
- Effetti della ridotta dimensionalità sulle proprietà di stato fondamentale: cenni di stabilità strutturale di wires e clusters; nuovo significato delle variabili termodinamiche; proprietà reologiche e meccaniche determinate dal rapporto superficie/volume; dalla microfluidica alla nanofluidica., Ref. (2) §4; articoli di magazine.
- Effetti della ridotta dimensionalità sulle proprietà di stato eccitato: generalità sul confinamento elettronico e fononico ed effetti sulle proprietà ottiche; principi del trasporto mesoscopico e dei fenomeni di tunneling con effetti sulle proprietà di trasporto elettrico e termico. Reff. (4) §18; (6) §11
- Generalità sui metodi di fabbricazione, in relazione alle tipologie dei materiali e alla morfologia dei prodotti. Ref. (1) §1.4
- Richiami sulle tecniche di analisi, con enfasi sulle tecniche di microscopia a risoluzione nanometrica: AFM e STM, TEM e SEM. Dip pen nanolithography e tecniche di nano posizionamento basato su strumenti a scansione di sonda. Reff. (1) §2.2-2.5; (2) §3; (4) §18
- Principali settori industriali di applicazione, con alcuni esempi, e cenni sui rischi ambientali e di salute. Ref. (3) §2.

Testi ausiliari:
(3) Nanotechnology Applications and Markets, L. Gasman. Artech House, Boston, 2006;
(4) Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, C.Kittel. Editrice Ambrosiana, Milano, 2008;

Altre fonti:
(5) Feyneman and Computation, A.J.G. Hey Editor. Perseus Books, Reading, Mass., 1999;
(6) Nanomaterials from Research to Applications, H. Hosono et al. Editors. Elsevier, Oxford, 2006.

NANOSTRUTTURE INORGANICHE PER ICT E SENSORISTICA
- Elementi di deposizione ed etching selettivi: processi di litografia a livello micrometrico. Nanolitografie per electron beam e per focussed ion beam; softprinting.
- Crescita di nanostrutture epitassiali autoassemblate: etroepitassia con misfit reticolare, droplet epitaxy e quantum wires da catalizzatore metallico.
- Arrays di nanostrutture: ordinamento spontaneo bidimensionale tridimensionale da interazione elastica, ordinamento da patterning del substrato. Precipitati epitassiali in matrice solida: dots e platlets.
- Confinamento e band offset in strutture bidimensionali, mono-dimensionali e zero-dimensionali. Superreticoli.
- Processi di trasporto elettrico in nanostrutture: tunneling, trasporto ballistico, Coulomb blockade.
- Processi optoelettronici e caratterizzazione ottica di nanostrutture.
- Processi magnetici, cenni di spintronica e magnetotrasporto in nanostrutture.
- Nanowires di semiconduttori.
- Nanoparticelle a base carbonio: grafene, fullereni e CNT

Ref. (1) §3; §4; (2) §9; §10.1

Altre fonti:
Low-dimensional semiconductor structures, K. Barnham and D. Vveddesky Eds., Cambridge University Press, Cambridge 2001.
Nanophysics and Nanotechnology, E.W. Wolf. Johm Wiley and Sons, Weinheim 2006, second edition.

PREPARAZIONE DI NANOPARTICELLE INORGANICHE E LORO DISPERSIONE
- Sintesi di nanoparticelle inorganiche (ossidi, metalli). Sintesi per combustione di precursori (fumed silica, carbon black, titania,.). Sintesi per via sol-gel di ossidi inorganici, utilizzo di microemulsioni, metodi idrotermali e solvotermali.
- Sintesi di graphene, fullereni e CNT: laser ablation, scarica d’arco, e chemical vapor deposition. Purificazione.
- Sintesi di quantum –dots e particelle core-shell di semiconduttori con metodi colloidali e loro funzionalizzazione superficiale (place Exchange reactions).
- Tecniche di preparazione meccanica di materiali nanostrutturati: ball milling, mechanical alloying, mechanofusion.
- Dispersione e stabilizzazione di nanopolveri in matrice polimerica: disgregazione degli aggregati

Bibliografia consigliata

1) Nanoscale Science and Technology, R.Kelsal, I.Hamley, M.Geoghegan. John Wiley and Sons, Chichester, 2005. (Avanzato)
2) Introduction to Nanotechnology, C.P.Poole Jr, F.J. Owens. John Wiley and Sons, Hoboken NJ, 2003 (Introduttivo)

Modalità di erogazione

Convenzionale

Metodi didattici

Lezioni frontali