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Syllabus

Partially translatedTradotto parzialmente
[W001238] - SISTEMI MULTIFISICI PER L'ELETTRONICA A RADIOFREQUENZAMULTIPHYSICS SYSTEMS FOR RADIOFREQUENCY ELECTRONICS
Luca PIERANTONI
Lingua di erogazione: ITALIANOLessons taught in: ITALIAN
Laurea Magistrale - [IM11] INGEGNERIA ELETTRONICA (Curriculum: Elettronica per Applicazioni Nautiche) Master Degree (2 years) - [IM11] ELECTRONICS ENGINEERING (Curriculum: Elettronica per Applicazioni Nautiche)
Dipartimento: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'InformazioneDepartment: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'Informazione
Anno di corsoDegree programme year : 1 - Secondo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2019-2020
Anno regolamentoAnno regolamento: 2019-2020
Crediti: 9
Ore di lezioneTeaching hours: 72
TipologiaType: B - Caratterizzante
Settore disciplinareAcademic discipline: ING-INF/02 - CAMPI ELETTROMAGNETICI

LINGUA INSEGNAMENTO LANGUAGE

ITALIANO

Italian


PREREQUISITI PREREQUISITES

Conoscenze di base di Elettromagnetismo, Fisica, Analisi Matematica, Algebra Lineare, Teoria dei Circuiti

Basic knowledge of Electromagnetics, Physics, Mathematical Analysis, Linear Algebra, Circuit Theory


MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DEL CORSO DEVELOPMENT OF THE COURSE

Lezioni di Teoria, 66 ore. Laboratorio, 6 ore

Theory, 66 hours. Laboratory, 6 hours


RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI LEARNING OUTCOMES
Conoscenze e comprensione.

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, opto-elettronica, 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 a cambiamento di fase; cavità nano-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, opto-electronics, nanotechnology. Examples of radio-frequency multi-physical systems are technological platforms based on nano-structured materials (carbon nanotubes, graphene, other 2D materials), ferroelectric materials, phase change materials; nano-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



PROGRAMMA PROGRAM

Teoria - Definizione di sistema multi-fisico. Materiali nanostrutturati (nano-scala) e regioni estese (meso-scala). Modelli matematici per le varie regioni e costruzione dei sistemi di equazioni differenziali accoppiate (PDE). Elettrodinamica e meccanica quantistica. Equazioni di Maxwell, equazione di Schrödinger, equazione di Dirac, diffusione termica.
Modelli e simulazioni - Metodi discreti (ab-initio) per la simulazione a livello atomistico. Metodi alle differenze finite e agli elementi finiti per la simulazione full-wave di dispositivi e sistemi. Modellamento multi-fisico e multi-scala. Utilizzo di solver numerici. Determinazione delle relazioni costitutive per i nuovi materiali nano-strutturati (es. nanotubi al carbonio, grafene, MoS2)
Sistemi - Cavità opto-meccaniche. Accoppiamento tra onde meccaniche e onde elettromagnetiche. Fotoni e fononi. Dispositivi e sistemi basati sulle onde acustiche di superficie (SAW). Circuiti integrati e sistemi “sub-wavelength” basati su metamateriali, metasuperfici e materiali 2D. Piattaforme tecnologiche Tx/Rx (antenne, FET, RF switching, filtri riconfigurabili) basate su nanotubi al carbonio e materiali 2D. Dispositivi e sistemi elettronici operanti ad alta frequenza e basati su materiali ferroelettrici nano-strutturati e materiali a cambiamento di fase. Reticoli e cristalli fotonici. Introduzione ai dispositivi per la spintronics e per il quantum computing.
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 and quantum mechanics. Maxwell equations, Schrödinger equation, Dirac equation, thermal diffusion. Models and simulations. Discrete methods (ab initio) for the simulation at the atomistic level. Finite difference and finite element methods for the full-wave simulation of devices and systems. Multi-physics and multi-scale modeling. Use of numerical solvers. Determination of constitutive relations for new nano-structured materials (eg carbon nanotubes, graphene, MoS2)
Systems. Opto-mechanical cavities. Coupling between mechanical waves and electromagnetic waves. Photons and phonons. Devices and systems based on surface acoustic waves (SAW). Integrated circuits and sub-wavelength systems based on metamaterials, metasurfaces and 2D materials. Tx / Rx technological platforms (antennas, FETs, RF switching, reconfigurable filters) based on carbon nanotubes and 2D materials. Electronic devices and systems operating at high frequency and based on nano-structured ferroelectric materials and phase change materials. Lattices and photonic crystals. Introduction to devices for spintronics and quantum computing. Laboratory. Fiber optic lattices, strain and temperature measurement. Measurement of opto-mechanical systems. Atomic force microscopy, tunneling current. Microscopy for optoelectronic applications.


MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL'ESAME DEVELOPMENT OF THE EXAMINATION
Modalità di valutazione dell'apprendimento.

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



TESTI CONSIGLIATI RECOMMENDED READING

1)Dispense a cura del docente
2) https://learn.univpm.it

Lecture notes by the teacher


Scheda insegnamento erogato nell’A.A. 2019-2020
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento.
Academic year 2019-2020

 


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