Kvantefænomener i nanosystemer (Nano3)

Kursusindhold

Målet med kurset er at give de studerende en introduktion til eksperimentel nanoelektronik og dermed forståelse for kvantefænomener og elektron-transport i nanosystemer. Kurset integrerer teori og eksperiment og er rettet specifikt mod studerende i Nanoscience (bachelor).
Med udgangspunkt i det forudgående kursus i kvantemekanik gives den nødvendige teoretiske baggrund i faststoffysik. Der lægges særlig vægt på den frie elektron model og båndstruktur. Den frie elektron model anvendt på mesoskopiske systemer gennemgås og specielt udledes transmissions formalismen, der er central for forståelsen af kvantefænomener og elektron-transport i nanosystemer. Nogle vigtige emner er desuden kvantiseret ledningsevne, Hall effekt, Coulomb blokade og enkelt elektron transistorer (quantum dots), samt materialer (fx halvledere og kulstof nanorør). Regneøvelser illustrerer teorien.

Eksperimentel del: Der gennemføres et antal øvelser á 2-4 timers varighed. I visse tilfælde kan udleverede data erstatte en eksperimentel øvelse. Øvelserne kan for eksempel omhandle:

A) Fremstilling af en nanokomponent: Brugen af rent rum til fremstilling af mikrokredsløb ved fotolitografi.
B) De fremstillede prøver kan danne udgangspunkt for målinger ved flydende helium temperatur (4.2 K), hvor ladningsbærerkoncentrationen bestemmes ved to forskellige metoder: Hall effekt og Shubnikov-de Haas oscillationer.
C) Måling af kvantiseret ledningsevne i en 1-dimensionel leder.
D) Elektrisk målinger af enkelt elektron transport gennem en såkaldt kvanteø. Komponten vil være fremstillet af et kulstof nanorør eller halvleder nanotråd. Øvelserne dokumenteres med rapporter, som danner udgangspunkt for den mundtlige eksamination.
E) Introduktion til elektriske målinger, instrumenter, kredsløb og data opsamling.

(ikke alle øvelser fra ovenstående liste vil nødvendigvis gennemføres).

Engelsk titel

Quantum Phenomena in Nano Systems (Nano3)

Uddannelse

Bacheloruddannelsen i nanoscience

Målbeskrivelse

Færdigheder   

  • redegøre for hvorfor elektriske målinger i nanosystemer kan være forskellige fra dagligdags (makroskopiske) elektriske komponenter
  • redegøre for faste stoffers båndstruktur, herunder forskellen på metaller, halvledere og isolatorer
  • redegøre for hvordan nanokomponenters dimensionalitet kan påvirke deres elektriske egenskaber
  • anvende simple forsøgsopstillinger til måling af nanokomponenter
  • kende til lav-temperatur teknik for måling af nanokomponenter
  • demonstrere teoretisk forståelse af udvalgte kvantefænomener indenfor elektron transport i nanosystemer
  • udføre simple, illustrative beregninger til kvantitativ beskrivelse af disse fænomener
  • beskrive fremstilling af udvalgte elektriske nanokomponenter
  • beskrive og begrunde udførelsen af de udførte eksperimenter
  • anvende teorien på eksperimentelle data, herunder tolkning af de i øvelserne opnåede resultater
  • reproducere (kvalitativt) grafer som gengiver typiske eksperimentelle data, samt beskrive tendenser og karakteristika i graferne
  • relatere og/eller differentiere mellem de i kurset og øvelserne behandlede kvantefænomener samt at kunne redegøre for forskelle/ligheder mellem eksperimentelle målinger og ideelle teoretiske fænomener
  • formulere en korrekt og forståelig rapport for hvert af de udførte eksperimenter, herunder udvælge og præsentere den mest relevante information indenfor rammerne af rapportens omfang.

Viden
Efter kurset er det målet at de studerende har kendskab til fremstilling af nanokomponenter og typiske elektriske måleteknikker, samt kan gøre rede for den grundlæggende teori for nanokomponenternes kvantemekaniske egenskaber og de observerede fænomener.

Kompetencer
Kurset giver den studerende kompetence til at kunne tilegne sig yderligere viden inden for emnet, f.eks. ved at følge videregående kurser inden for kvantefysikken.
Gennem kursets eksperimentelle del trænes den studerende i udførelse af forsøg, at tolke og præsentere data, samt får belyst forskelle/ligheder for fænomenerne mellem teori og praksis.

Forelæsninger og øvelser

Materiale og noter forberedes af underviserne. Kursushjemmesiden giver information vedr. distribution og salg af dette.

Det kræves, at man har bestået kurserne MatIntroNat, MatN, Nano1, NanoF1 og NanoF2.

Kurset udbydes kun til studerende på bacheloruddannelsen i NanoScience ved Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet.

ECTS
7,5 ECTS
Prøveform
Mundtlig prøve, 20 min
Rapporterne over laboratorieøvelserne er udgangspunkt for en fremlæggelse ved den mundtlige eksamen.
Ved den mundtlige prøve eksamineres også i kursets teoretiske stof.
Der laves en samlet bedømmelse af fremlæggelsen af rapporterne og den øvrige eksamination.
Bedømmelsesform
7-trins skala
Censurform
Ingen ekstern censur
Flere interne bedømmere
Kriterier for bedømmelse

Karakteren 12 gives for den fremragende præstation, der demonstrerer udtømmende opfyldelse af kursets målbeskrivelse, med ingen eller få uvæsentlige mangler.

Enkeltfag dagtimer (tompladsordning)

  • Kategori
  • Timer
  • Forelæsninger
  • 20
  • Teoretiske øvelser
  • 20
  • Praktiske øvelser
  • 18
  • Forberedelse
  • 147,5
  • Eksamen
  • 0,5
  • Total
  • 206,0