Detail předmětu

Nanoelektronika

FSI-TNI-A Ak. rok: 2027/2028 Zimní semestr

Předmět poskytuje přehled současných směrů nanoelektroniky se zaměřením na fyzikální principy elektronických a kvantových jevů v nízkorozměrných strukturách a moderních elektronických součástkách. Zabývá se polovodičovými nanostrukturami, 2D materiály a jejich využitím v elektronice, kvantovým transportem a novými koncepty tranzistorů. Dalšími tématy jsou pokročilé fotovoltaické technologie a využití nanomateriálů v energetice, kvantová komunikace a základy kvantového počítání, magnetické materiály a spintronika. Důraz je kladen na pochopení fyzikálních mechanismů, které umožňují vývoj nových elektronických, paměťových a energetických technologií.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

4

Garant předmětu

prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikálního inženýrství

Vstupní znalosti

Základní znalosti obecné fyziky, kvantové fyziky a fyziky pevných látek. Student by měl rozumět základním principům elektronové struktury pevných látek, energetickým pásům a transportním vlastnostem nosičů náboje.

Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů

Předmět je zakončen zkouškou. Hodnocení studenta vychází z výsledků písemné a z ústní části zkoušky, která má formu odborné diskuse nad zadanými tématy. Při zkoušce student prokazuje porozumění fyzikálním principům elektronických a kvantových jevů v nanoelektronických materiálech a součástkách, schopnost vysvětlit jejich vlastnosti a diskutovat možnosti jejich využití. K přípravě na zkoušku a ke zkoušce samotné je dovoleno používat vlastní poznámky z přednášek.

Při hodnocení práce ve cvičeních se posuzuje správnost řešení zadaných úloh, porozumění použitým fyzikálním principům a schopnost interpretovat dosažené výsledky.

Účast na cvičeních a cvičeních s počítačovou podporou je povinná a je kontrolována vyučujícím. Případnou neúčast je nutné nahradit způsobem stanoveným vyučujícím s ohledem na rozsah a obsah zameškané výuky.

Předmět je úspěšně absolvován po splnění požadavků na povinnou účast a úspěšném vykonání zkoušky.

Učební cíle

Po absolvování předmětu student:

  • vysvětlí základní elektronické a kvantové jevy uplatňující se v nanoelektronických materiálech a strukturách;

  • popíše vztah mezi strukturou, elektronickými vlastnostmi a funkčností vybraných nanoelektronických materiálů, zejména polovodičů, dielektrik, feroelektrik, magnetických materiálů a organických molekul;

  • vysvětlí fyzikální principy vybraných nanoelektronických součástek a jejich funkci;

  • rozpozná možnosti využití kvantových jevů, spintroniky a molekulární elektroniky při návrhu nových elektronických součástek;

  • posoudí potenciální využití vybraných nanoelektronických materiálů a součástek pro zpracování a ukládání informace, senzory, displeje a energetické aplikace;

  • orientuje se v současných trendech a perspektivách vývoje nanoelektroniky.

Studijní opory

Kopie prezentací z prostředí PowerPoint jsou dostupné ve formátu PDF v e-learningu.

Použití předmětu ve studijních plánech

Program N-FIN-P: Fyzikální inženýrství a nanotechnologie, magisterský navazující, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Osnova



  1. Úvod do nanoelektroniky. Elektronické vlastnosti materiálů a kvantové jevy v prostorově omezených strukturách.




Blok 1:




  1. Polovodiče a polovodičové nanostruktury. Nosiče náboje, jejich energetické stavy a transportní vlastnosti v nízkorozměrných strukturách. MOSFET struktury a fyzika MOS tranzistoru.




  2. Nové součástkové koncepty. Kvantové součástky založené na rezonančním tunelování a jednoelektronové součástky. Tranzistory na bázi feroelektrik a negativni kapacitance. 




Blok 2:




  1. 2D nanoelektronika: transport náboje, kvantové stavy v 2D omezení. Kavntový Hallův jev.



  2. Elektronika na bázi grafénu.


Blok 3:



  1. Princip slunečního článku, fotovoltaika na velké ploše, pokročilá fotovoltaika (tandem cells atd.)

  2. Nanostrukturní sluneční články a nové směry ve využití nanomateriálů pro energetické aplikace.


Blok 4:




  1. Kvantový transport, kvantový bodový kontakt.




  2. Kvantová komunikace a základ kvantového počítání.




Blok 5:




  1. Ferromagnety, antiferomagnety a altermagnety: vlastnosti.




  2. Spintronika: spinový Hallův jev a magnetoresistivita.




  3. Součástky založené na magnetismu, paměťi a nové koncepty počítání v pamětech.



Cvičení

20 hod., povinná

Osnova



  1. Elektronické vlastnosti polovodičů. Energetické pásy, nosiče náboje a jejich koncentrace.




  2. Kvantové jevy v nízkorozměrných strukturách. Kvantové jámy, dráty a tečky, hustota elektronových stavů.




  3. Transportní vlastnosti nanoelektronických struktur. Elektrická vodivost, transport nosičů a vliv rozhraní.




  4. Dielektrické a feroelektrické vlastnosti materiálů. Polarizace, kapacita a základní charakteristiky feroelektrik.




  5. Fyzikální principy vybraných nanoelektronických součástek. MOSFET, tunelové a jednoelektronové součástky.




  6. Příklady využití nanoelektronických materiálů a součástek v paměťových prvcích, senzorech a dalších aplikacích.



Cvičení s počítačovou podporou

6 hod., povinná

Osnova

Probíhé současně se cvičením, slouží jako podpora k něterým vybraným úlohám.