Low-dimensional systems and nanostructures 1100-4INZ`LDSN
1. Introduction – semiconductor heterostructures
Revision of solid state physics: Born-Oppenheimer approximation, Hartree-Fock method and one electron Hamiltonian, periodic potential, Bloch states, band structure, effective mass.
2. Nanotechnology
Revision of solid state physics: tight-binding approximation, Linear Combination of Atomic Orbitals (LCAO).
Nanotechnology. Semiconductor heterostructures. Technology of low dimensional structures. Bandgap engineering: straddling, staggered and broken gap. Valence band offset.
3. Quantum wells (1)
Infinite square quantum well. Finite square quantum well. Quantum well in heterostructures: finite square well with different effective masses in the well and barriers.
4. Quantum wells (2)
Harmonic potential (parabolic well). Triangular potential. Wentzel – Krammers – Brillouin (WKB) method.
Band structure in 3D, 2D. Coulomb potential in 2D
5. Quantum dots, Quantum wells in 1D, 2D and 3D
Quantum wells in 1D, 2D and 3D. Quantum wires and quantum dots. Bottom-up approach for low-dimensional systems and nanostructures. Energy gap as a function of the well width.
6. Optical transitions in nanostructures
Time-dependent perturbation theory, Fermi golden rule, interband and intraband transitions in semiconductor heterostructures
7. Work on the article about quantum dots
Students have to read the article (Phys. Rev. Lett., Nature, Science, etc.) and answer questions. Discussion.
8. Carriers in heterostructures
Density of states of low dimensional systems. Doping of semiconductors. Heterojunction, p-n junction, metal-semiconductor junction, Schotky barrier
9. Tunneling transport
Continuity equation. Potential step. Tunneling through the barrier. Transfer matrix approach. Resonant tunneling. Quantum unit of conductance.
10. Quantized conductance
Quantized conductance. Coulomb blockade, one-electron transistor.
11. Work on the article about the tunneling or conductance
Students have to read the article (Phys. Rev. Lett., Nature, Science, etc.) and answer questions. Discussion.
12. Electric field in low-dimensional systems
Scalar and vector potentials. Carriers in electric field: scalar and vector potential in Schrodinger equation. Schrodinger equation with uniform electric field. Local density of states. Franz-Kieldysh effect.
13. Magnetic field in low-dimensional systems
Carriers in magnetic field. Schrodinger equation with uniform magnetic field – symmetric gauge, Landau gauge. Landau levels, degeneracy of Landau levels.
14. Electric and magnetic fields in low-dimensional systems
Schrodinger equation with uniform electric and magnetic field. Hall effect. Shubnikov-de Haas effect. Quantum Hall effect. Fractional Quantum Hall Effect. Hofstadter butterfly. Fock-Darvin spectra
15. Revision
Revision and preparing for the exam.
Kierunek podstawowy MISMaP
Tryb prowadzenia
Założenia (opisowo)
Koordynatorzy przedmiotu
Efekty kształcenia
K_W01 posiada rozszerzoną wiedzę w zakresie fizyki i chemii, a także zna jej historyczny rozwój i znaczenie dla postępu nauk ścisłych i przyrodniczych, poznania świata i rozwoju ludzkości
K_W05 posiada pogłębioną wiedzę z fizyki i chemii, nanotechnologii oraz inżynierii nanostruktur
K_W06 posiada wiedzę o aktualnych kierunkach rozwoju i najnowszych odkryciach w dziedzinie fizyki, chemii, nanotechnologii oraz inżynierii nanostruktur
K_U01 potrafi zaplanować i wykonać obserwacje, doświadczenia, i obliczenia z zakresu fizyki, chemii oraz dotyczące nanotechnologii i inżynierii nanostruktur
K_U02 potrafi krytycznie ocenić wyniki doświadczeń i obliczeń teoretycznych oraz przeprowadzić analizę ich dokładności
K_U03 potrafi znajdować niezbędne informacje w literaturze fachowej, bazach danych i innych źródłach; zna podstawowe czasopisma naukowe dotyczące fizyki, chemii, nanotechnologii oraz inżynierii nanostruktur
K_U04 umie zastosować zdobytą wiedzę, umiejętności oraz metodykę fizyki i chemii do rozwiązywania problemów z dziedzin pokrewnych
K_U05 potrafi przedstawić wiedzę, wyniki badań i odkrycia naukowe w sposób jasny i systematyczny trafnie rozpoznając i uwypuklając najważniejsze aspekty rozważanego zagadnienia oraz prezentując przyjętą metodologię a także omawiając znaczenie uzyskanych wyników na tle innych podobnych badań
K_U06 potrafi skutecznie komunikować się ze specjalistami oraz niespecjalistami w zakresie fizyki, chemii, nanotechnologii i inżynierii nanostruktur oraz dziedzin pokrewnych, nawiązując dyskusję naukową lub przyczyniając się do popularyzacji wiedzy
K_U07 umie samodzielnie uczyć się oraz określić kierunki swego dalszego kształcenia
K_U08 posiada umiejętność przygotowania różnych prac pisemnych, w tym plakatu, opisu, artykułu oraz średniozaawansowanej rozprawy naukowej z zakresu fizyki, chemii, nanotechnologii i inżynierii nanostruktur oraz dziedzin pokrewnych, w języku polskim i angielskim, z zastosowaniem komputerowych narzędzi składania tekstu oraz graficznej wizualizacji wyników
K_U10 ma umiejętności językowe na poziomie B2+ Europejskiego Systemu Opisu Kształcenia Językowego, ze szczególnym uwzględnieniem terminologii fizycznej, chemicznej oraz stosowanej w nanotechnologii oraz inżynierii nanostruktur
K_K01 rozumie potrzebę uczenia się przez całe życie; potrafi inspirować i organizować proces uczenia się innych osób
K_K05 rozumie potrzebę systematycznego zapoznawania się z literaturą naukową i popularnonaukową w celu pogłębiania i poszerzania wiedzy; jest świadomy zagrożeń przy pozyskiwaniu informacji z niezweryfikowanych źródeł, w tym z Internetu
Kryteria oceniania
Homeworks
Discussion of scientific papers
Tests to check the effective use of the skills acquired during the lecture
Exam: final test and oral exam
Literatura
J. Davies "The physics of low dimensional semiconductors" Cambridge: Cambridge University Press (1998)
Więcej informacji
Dodatkowe informacje (np. o kalendarzu rejestracji, prowadzących zajęcia, lokalizacji i terminach zajęć) mogą być dostępne w serwisie USOSweb: