Nanotechnologia
Semestr I (2°)

Osoba odpowiedzialna za przedmiot: dr inż. Andrzej Okuniewski.

Zaliczenie przedmiotu

Aby zdobyć zaliczenie z przedmiotu należy uzyskać pozytywny wynik (min. 60%) ze wszystkich trzech części przedmiotu. Ocena końcowa jest obliczana następująco:

O = 0,40×E + 0,35×P + 0,25×L

gdzie: 
O – ocena końcowa
E – ocena z egzaminu
P – ocena z projektu
L – ocena z laboratorium

W terminie poprawkowym maksymalna ocena końcowa to 3,0.

Osoby, które ukończyły kierunek lub przedmiot Nanotechnologia będą miały możliwość przepisania ocen – po szczegóły proszę zgłosić się do prowadzącego po pierwszych zajęciach.

Skala ocen we wszystkich składowych przedmiotu jest następująca:

Procent punktów Ocena
92 — 100 5,0
84 — 91 4,5
76 — 83 4,0
68 — 75 3,5
60 — 67 3,0
< 60 2,0

Wykład

Program

  1. Zajęcia organizacyjne
  2. Modelowanie molekularne: Metody ab-initio i półempiryczne. Koszt obliczeniowy. Pola siłowe. Hiperpowierzchnie energii potencjalnej. Mechanika molekularna. Problem minimum globalnego. Metody bezgradientowe i gradientowe poszukiwania minimów lokalnych funkcji wielu zmiennych. Kryteria zbieżności. Dynamika molekularna. Zasady dynamiki Newtona. Równania ruchu. Algorytm Verleta i jego pochodne. Pudła symulacyjne. Periodyczne warunki brzegowe. Temperatura i ciśnienie w symulacjach komputerowych.
  3. Historia nanotechnologii: Wykład There's Plenty of Room at the Bottom. Wprowadzenie pojęcia nanotechnologia.
  4. Nanolitografia: Fotolitografia. Rodzaje fotorezystów. Metody rozwirowania, rozpylania i zanurzania. Maski do fotolitografii, efekt bliskości optycznej (OPC). Elektronolitografia. Działa elektronowe. Nanoodciskanie. Litografia z użyciem sondy skanującej (SPL).
  5. Nanoelektronika: Pasma energetyczne. Poziom Fermiego. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane. Budowa przerwy energetycznej (prosta i skośna). Złącze p-n. Diody DIP, SMD, COB, OLED. Ceramika ITO. Polimery przewodzące. Wynalezienie tranzystora. Tranzystory MOSFET i układy CMOS. Prawo Moora. Tranzystory wielobramkowe.
  6. Pamięci komputerowe: Historia zapisu informacji binarnej, krosno Jaquarda. Gęstość zapisu informacji. Zapis magnetyczny, optyczny i mechaniczny. Pamięci EPROM, Flash, SSD. Pamięci FeRAM i ReRAM. Przełączniki molekularne. Zapis przy pomocy pojedynczych atomów.
  7. Badania strukturalne: Ciała krystaliczne i amorficzne. Mikroskopy z sondą skanującą (STM, AFM). Silniki piezoelektryczne. Efekt tunelowy. Promieniowanie synchrotronowe. Spektroskopia XPS, AES, XANES i EXAFS. Badania rentgenostrukturalne. Strukturalne bazy danych.
  8. Chemia koordynacyjna i supramolekularna: Typy wiązań i oddziaływań chemicznych. Wiązanie koordynacyjne. Liczba koordynacyjna. Geometrie centrów koordynacji. Wiązania wodorowe, halogenowe i chalkogenowe. Oddziaływania π. Inżynieria krystaliczna. Metal-organic frameworks.
  9. Nanostruktury węglowe: Wymiarowość struktur. Odmiany alotropowe węgla. Fulereny. Nanorurki węglowe. Wektor chiralności. Diagramy Schlegela. Grafen i jego pochodne (tlenek grafenu, zredukowany tlenek grafenu, grafan). Metoda Hummera.
  10. Efekty kwantowe w nanostrukturach: Jednowymiarowa nieskończona studnia potencjału (JNST), bezczasowe równanie Schrödingera, warunek brzegowy i normalizacyjny, funkcje falowe i energie stanów stacjonarnych dla JNST. Zastosowanie modelu JNST do półprzewodnikowych studni, drutów i kropek kwantowych.
  11. Nanostruktury 2D: Chemiczna funkcjonalizacja powierzchni. Samoorganizacja. Chemiczne i elektrochemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD, EVD), osadzanie warstw monoatomowych (ALD), epitaksja z wiązki molekularnej (MBE). Związki amfifilowe, surfaktanty, fosfolipidy. Warstwy Langmuira. Metoda Langmuira-Blogett i Langmuira-Schaeffera.
  12. Nanostruktury 1D: Nanowłókna, nanodruty, nanopręty, nanokolumny, nanowstążki i nanorurki. Elektroprzędzenie, metoda VLS (vapour-liquid-solid), synteza wg szablonu (template synthesis). Wąsy metaliczne (whiskers).
  13. Nanostruktury 0D: Nanosfery, nanomuszle, nanokostki, nanopatyczki. Nanocząstki core-shell. Wpływ kształtu i rozmiaru na właściwości nanocząstek. Rezonans plazmonowy. Fluorescencja. Nanocząstki metaliczne. Nanoczątki srebra i złota, argyria. Nanocząstki tlenkowe (metali i półmetali). Metoda solwo- i hydrotermalna. Metoda zol-żel, alkoksymetale, TEOS. Nanocząstki magnetyczne. Nanocząstki półprzewodników (II-VI i III-V). Kropki kwantowe. Nanocząstki organiczne, polimerowe. Koacerwacja. Micele i liposomy. Dendrymery. Zastosowanie nanocząstek w medycynie. Nośniki leków. Terapia fototermiczna.
  14. Ćwiczenia rachunkowe: Obliczanie średnicy nanorurek węglowych. Obliczanie prawdopodobieństwa tunelowania elektronów przez barierę potencjału. Obliczanie długości fali emitowanej podczas przejścia elektronów pomiędzy stanami stacjonarnymi w półprzewodnikowej studni potencjału na postawie modelu JNSP. Obliczanie gęstości krystalograficznej metali. Obliczanie wielkości nanocząstek przy pomocy równania Debye'a-Scherrera na postawie dyfraktogramu proszkowego.
  15. Egzamin zerowy (wyłącznie dla osób, które otrzymały ocenę 4,5 lub wyższą z projektu i laboratorium).

Zaliczenie

  • W trakcie semestru odbędą się dwa kolokwia wykładowe (2 × 2 pkt.), których wynik dodawany jest do wyniku testu egzaminacyjnego. Punkty te nie są uwzględniane w terminie poprawkowym.
  • Do egzaminu zostaną dopuszczeni wyłącznie studenci, którzy zaliczą projekt i laboratoria.
  • Egzamin będzie składał się z 15 zadań testowych (15 pkt.) oraz 5 zadań otwartych (10 pkt.). Zalicza 60%, czyli 15 pkt.
  • Na egzamin proszę zabrać kalkulator. Niezbędne wzory i stałe będą widoczne na ekranie przez cały czas trwania egzaminu.
  • Osoby, które nie uzyskają zaliczenia w pierwszym terminie mogą przystąpić do egzaminu w sesji poprawkowej.
  • Studenci, którzy będą posiadali więcej niż 20% nieusprawiedliwionych nieobecności będą nieklasyfikowani.

Literatura


Projekt

Program

W ramach zajęć studenci samodzielnie opracowują projekty, których opis znajduje się w materiałach poniżej.

Harmonogram

Tydzień Zajęcia
1 Zajęcia organizacyjne, omówienie celu i sposobu realizacji zajęć.
2 Ćwiczenia z zakresu obsługi programu HyperChem.
3 — 9 Realizacja projektu
10 Pierwszy termin oddania projektu
11 — 14 Poprawianie projektów
15 Ostateczny termin oddania poprawionych projektów, wystawianie ocen

Zaliczenie

  • Projekt realizowany jest przez studentów w indywidualnym tempie.
  • Studenci, którzy będą posiadali więcej niż 20% nieusprawiedliwionych nieobecności będą nieklasyfikowani.
  • Projekt należy przygotować z wykorzystaniem szablonu strony tytułowej (patrz materiały poniżej).
  • Plik PDF z projektem należy wysłać do prowadzącej zajęcia najdalej w 10 tygodniu semestru:
    mgr inż. Natalia Szynkiewicz <natszynk@student.pg.edu.pl>
  • Poprawione projekty należy przesłać najpóźniej do dnia ostatnich zajęć.

Materiały


Laboratorium

W ramach laboratoriów studenci wykonują syntezę nanocząstek wg instrukcji zawartych w skrypcie (plik PDF poniżej):

  • Nanocząstki siarczku cynku domieszkowane jonami manganu(II) [ZnS:Mn2+ NP]
  • Kropki kwantowe selenku kadmu [CdSe QD]
  • Megnetyczne nanocząstki tlenku żelaza [Fe3O4 MNP]
  • Nanocząstki węglowe z mleka kokosowego [CNP]

Każde ćwiczenie poprzedza kolokwium obejmujące materiał ćwiczenia, które student wykonuje w danym tygodniu (zagadnienia podano w skrypcie). Kolokwia pisane są indywidualnie, a preparaty wykonywane są w trójosobowych grupach. Każda grupa przygotowuje jedno sprawozdanie na szablonie zawartym w skrypcie.

Zaliczenie

  • Za każde kolokwium można uzyskać 15 pkt., a za sprawozdanie 10 pkt. Zalicza 60%, czyli 60 pkt.
  • Skala ocen podana jest na górze strony.
  • Studenci, którzy będą posiadali więcej niż 20% nieusprawiedliwionych nieobecności będą nieklasyfikowani.