Guida degli insegnamenti
Syllabus
Partially translatedTradotto parzialmente
Luca PIERANTONI
Lingua di erogazione: ITALIANOLessons taught in: ITALIAN
Laurea Magistrale - [IM11] INGEGNERIA ELETTRONICA (Curriculum: Sistemi Elettronici e Nanotecnologie) Master Degree (2 years) - [IM11] ELECTRONICS ENGINEERING (Curriculum: Sistemi Elettronici e Nanotecnologie)
Dipartimento: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'InformazioneDepartment: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'Informazione
Anno di corsoDegree programme year : 1 - Secondo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2020-2021
Anno regolamentoAnno regolamento: 2020-2021
Crediti: 9
Ore di lezioneTeaching hours: 72
TipologiaType: B - Caratterizzante
Settore disciplinareAcademic discipline: ING-INF/02 - CAMPI ELETTROMAGNETICI
ITALIANO
Italian
Conoscenze di base di Elettromagnetismo, Fisica, Analisi Matematica, Algebra Lineare, Teoria dei Circuiti
Basic knowledge of Electromagnetics, Physics, Mathematical Analysis, Linear Algebra, Circuit Theory
Lezioni di Teoria, 66 ore. Laboratorio, 6 ore
Theory, 66 hours. Laboratory, 6 hours
L’obiettivo del corso è di introdurre all’analisi, al modellamento e alla progettazione di componenti e sistemi con dimensioni dalla scala nanometrica a
quella millimetrica, in un’area che si colloca all’intersezione di elettronica, elettromagnetismo, fotonica, nanotecnologia. Esempi di sistemi multi-fisici a radio-frequenza sono le piattaforme tecnologiche basate su materiali nanostrutturati (nanotubi di carbonio, grafene, altri materiali 2D), materiali ferroelettrici, materiali per la plasmonica, metamateriali; cavità opto-meccaniche; dispositivi per la spintronics e per il quantum computing. Il corso fornisce altresì le basi concettuali e gli strumenti computazionali per il modellamento multi-fisico e multi-scala, dei sistemi complessi: elementi di meccanica quantistica, metodi discreti (ab initio) per la simulazione a livello atomistico, metodi alle differenze finite e agli elementi finiti per la simulazione full-wave dei sistemi reali.
Capacità di applicare conoscenze e comprensione.
Gli studenti dovranno essere in grado di i) definire il dominio del sistema multi-fisico, ii) individuarne le regioni con la relativa scala geometrica (nano, meso, micro), iii) individuare il tipo di fenomeno fisico dominante nelle distinte regioni e le relative equazioni, iv) costruire un sistema di equazioni accoppiate (PDE) per la soluzione-globale del problema, v) scegliere le tecniche numeriche più adatte per la soluzione delle equazioni nelle diverse
regioni. Lo studente dovrà essere in grado di orientare le scelte (i-v) in funzione della complessità del sistema e in funzione degli obiettivi e delle specifiche di progettazione. Lo studente dovrà altresì mostrare abilità nell’applicare le tecniche di simulazione numerica, anche relativamente ai “solvers”
disponibili.
Competenze trasversali.
Lo studente dovrà integrare metodi e nozioni appresi nei corsi di base e caratterizzanti con i nuovi contenuti del corso, al fine di realizzare un’attività di
sintesi multidisciplinare atta a valutare vantaggi e limiti delle diverse alternative di progetto di un sistema multifisico. Alcune esperienze e misure di laboratorio su esempi reali contribuiranno a migliorare sia il grado di autonomia di giudizio in generale, sia la capacità comunicativa che deriva dal lavoro in gruppo.
Knowledge and Understanding.
The aim of the course is to introduce to the analysis, modeling and design of components and systems with dimensions from the nanometer to the
millimeter, in an area that lies at the intersection of electronics, electromagnetics, photonics, nanotechnology. Examples of radio-frequency multi-physical systems are technological platforms based on nano-structured materials (carbon nanotubes, graphene, other 2D materials), ferroelectric materials, photonics materials, metamaterials; opto-mechanical cavities, devices for spintronics and quantum computing.
The course also provides the conceptual basis and the computational tools for multi-physical and multiscale modeling of the complex systems: elements of quantum mechanics, discrete methods for the simulations at the atomistic scale, finitedifference/ finite elements methods for the full-wave simulation of real systems.
Capacity to apply Knowledge and Understanding.
Students will be able to i) define the domain of the multi-physical system, ii) identify the regions with the relative geometric scale (nano, meso, micro), iii) identify the type of dominant physical phenomenon in the different regions and the relative equations, iv) construct a system of coupled equations (PDE) for the solution-global problem, v) choose the most suitable numerical techniques for the solution of the equations in the different regions.
The student will be able to orient the choices (i-v) according to the complexity of the system and according to the objectives and design specifications.
The student will also have to show skills in applying numerical simulation techniques, even with respect to the available “solvers”.
Transversal Skills.
The student will have to apply and integrate methods
and concepts learned in the basic and characterizing
courses, in order to create a multidisciplinary
synthesis activity aimed at evaluating the advantages
and limitations of the different design alternatives of a
multi-physics system.
Some experiences and laboratory measurements on
real examples will contribute to improve both the
degree of autonomy of judgment in general, and the
communicative capacity that derives from teamwork
Teoria - Definizione di sistema multi-fisico. Materiali nanostrutturati (nano-scala) e regioni estese (meso-scala). Modelli matematici per le varie regioni, sistemi di equazioni differenziali accoppiate (PDE). Elettrodinamica. Elementi di fisica dello stato solido. Elementi di meccanica quantistica. Relazioni costitutive, modello di Drude-Lorentz. Relazioni costitutive per materiali nano-strutturati (es. nanotubi al carbonio, grafene). Onde superficiali, plasmoni e plasmonica. Dielettrici artificiali e metamateriali. Accoppiamento eqs. Schrödinger-Maxwell e Dirac-Maxwell. Fotoni e fononi.
Modelli e simulazioni - Metodi discreti (ab-initio) per la simulazione a livello atomistico. Modellamento multi-fisico e multi-scala a livello del continuo per la simulazione di dispositivi e sistemi. Solver numerici. Uso di COMSOL Multiphysics.
Sistemi - Piattaforme tecnologiche (es. FET, RF switching, filtri riconfigurabili) basate su nanotubi al carbonio e materiali 2D. Dispositivi e sistemi per applicazioni plasmoniche. Circuiti e sistemi (es. antenne, induttori, linee di trasmissione) basati su metamateriali e metasuperfici. Dispositivi e sistemi basati su materiali ferroelettrici. Dispositivi per applicazioni bio-medicali. Sistemi basati su antenne a larga banda per il recupero energetico (energy harvesting). Cavità opto-meccaniche. Introduzione ai dispositivi per la spintronics e per il quantum computing.
Simulazione di circuiti e sistemi usando COMSOL Multiphysics (Licenza Class Kit).
Laboratorio - Reticoli in fibra ottica, misura di strain e temperatura. Misura di sistemi opto-meccanici. Microscopia a forza atomica, corrente di tunneling. Microscopia per applicazioni optoelettroniche
Theory - Definition of multi-physical system. Nano-structured materials (nano-scale) and extended regions (meso-scale). Mathematical models for the various regions and construction of the systems of coupled differential equations (PDE). Electrodynamics. Fundamentals of solid-state physics. Fundamentals of quantum mechanics. Constitutive relations, Drude-Lorentz model. Constitutive relations for nano-structured materials (e.g. carbon nanotubes, graphene). Surface waves, plasmons and plasmonics. Artificial dielectrics and metamaterials. Schrödinger-Maxwell and Dirac-Maxwell equations coupling. Photons and phonons.
Models and simulations - Discrete methods (ab initio) for the simulation at the atomistic level. Multi-physics and multi-scale modeling at continuum level for the devices and systems simulations. Numerical solvers. Using COMSOL Multiphysics.
Systems – Technological platforms (e.g. FET, RF switching, reconfigurable filters) based on carbon nanotubes and 2D materials. Devices and systems pf plasmonic applications. Circuits and systems (e.g. antennas, inductors, transmission lines) based on metamaterials and metasurfaces. Devices and systems based on ferroelectric materials. Devices for bio-medical applications. Systems based on wide-band antennas for the energy harvesting. Opto-mechanical cavities. Introduction to devices for spintronics and quantum computing.
Simulations of circuits and systems by using COMSOL Multiphysics (Class Kit Licence).
Laboratory. Fiber optic lattices, strain and temperature measurement. Measurement of opto-mechanical systems. Atomic force microscopy, tunneling current. Microscopy for optoelectronic applications
Prova orale
Criteri di valutazione dell'apprendimento.
Lo studente deve dimostrare di padroneggiare i concetti introdotti nel
corso. In particolare, lo studente deve dimostrare di essere in grado di
introdurre, ricavare, argomentare, dimostrare e collegare relazioni e
teorie legate agli argomenti trattati
Criteri di misurazione dell'apprendimento.
La prova di esame è svolta nell'intento di comprendere: 1) l'impegno profuso dallo studente nella preparazione, 2) quanto è stato appreso, 3)
quanto effettivamente compreso dallo studente, 4) la sua capacità di analisi e di critica
Criteri di attribuzione del voto finale.
Il voto finale deriva da una valutazione ponderata dei criteri di misurazione dell'apprendimento
Learning Evaluation Methods.
Oral text
Learning Evaluation Criteria.
The student must demonstrate mastery of the concepts introduced in the course. In particular, the student must demonstrate that he/she is are
able to introduce, to derive, to argue, show and to link relationships and theories related to the topics of the course
Learning Measurement Criteria.
The exam is performed in order to assess: 1) the efforts made by the student in the preparation, 2) what the student has learned, 3) what he
has actually understood, 4) his ability to develop its own considerations and criticisms
Final Mark Allocation Criteria.
The final mark is the results of a weighted evaluation of the learning measurement criteria
1)Dispense a cura del docente
2) https://learn.univpm.it
Lecture notes by the teacher
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento. Academic year 2020-2021
Università Politecnica delle Marche
P.zza Roma 22, 60121 Ancona
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