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LUCA SELMI
Professore Ordinario
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Nanoelectronics and Bioelectronics/Advanced Photonics
Electronics Engineering - Ingegneria Elettronica (Offerta formativa 2023)
Obiettivi formativi
Questo corso integrato esplora i dispositivi elettronici e fotonici più rilevanti ed innovativi alla base delle più moderne tecnologie ICT.
La sezione di Nanoelettronica si focalizza su dispositivi emergenti, in special modo memorie non volatili e loro applicazioni. I meccanismi fisici e i prinicipi di funzionamento alla base di questi dispositivi saranno trattati in dettaglio. Inoltre, il ruolo di questi dispositivi in nuove applicazioni e paradigmi verrà esplorato, con un focus su nuove architetture computazionali (reti neurali avanzate, logic-in-memory, generatori di numeri casuali).
Nella parte di Bioelettronica il modello di deriva-diffusione per i semiconduttori viene esteso per includere la descrizione di elettroliti ed interfacce solido/elettrolita, al fine di trattare e modellare i principi di trasduzioni di molti biosensori elettronici. Gli aspetti principali dei biosensori (sensibilità, selettività, tempo di risposta, rumore) verranno studiati e i principali biosensori verranno comparati.
La sezione di Fotonica avanzata mira a fornire conoscenze e abilità di progettazione circa i principali componenti ottici e fotonici come accoppiatori, reticoli, interferometri, amplificatori ottici e fibre speciali usate in tecnologie fotoniche integrate e basate su fibra.
Prerequisiti
Il corso ha prerequisiti generali che possono essere soddisfatti seguendo i corsi di "Electron devices and components" e "Photonics and Microwaves" del Corso di Laurea Magistrale in Electronics Engineering o corsi con contenuti equivalenti, in particolare:
Per la parte di elettronica: fondamenti di fisica dello stato solido, fondamenti di dispositivi elettronici, modello di deriva-diffusione.
Per la parte di fotonica: onde elettromagnetiche, fibre ottiche, fondamenti di meccanica quantistica, laser.
Programma del corso
Nanoelectronics and Bioelectronics (6 CFU):
- Compendio di oggetti biologici, biomolecole e loro ambiente (elettroliti); Fondamenti di fisica degli elettroliti e del modello di deriva-diffusione per descriverne il comportamento; (approx.1.0 CFU)
- Fenomeni all'interfaccia tra solido ed elettrolita; Compendio di sensori elettronici e loro parametri chiave; - Principi di funzionamenti di biosensori; (approx.1.0CFU)
- Memorie non volatili emergenti: RRAM, FRAM, MRAM, FTJ, PCM (1CFU);
- Nuovi paradigmi di calcolo per edge computing e calcolo a bassa potenza: circuiti neuromorfici, intelligenza artificiale, reti neurali spiking e convoluzionali, piattaforme non von Neumann con dispositivi emergenti, generatori di numeri veramente casuali. (3 CFU).
Advanced Photonics (6 CFU):
- Compendio di sistemi di transmissione a fibre ottiche (1 CFU);
- Teoria a modi accoppiati (1CFU);
- Accoppiatori direzionali ed esempi applicativi: interruttori fotonici controllati, filtri, sensori (0.5 CFU);
- Reticoli: Bragg, trasmissione e riflessione, esempi applicativi: specchio monocromatico, multiplexer-demultiplexer, spettrometro (0.5 CFU);
- Interferometri e risuonatori, esempi applicativi: modulatori fotonici, modulators, interruttori fotonici controllati, sensori, multiplexer-demultiplexer (1 CFU);
- Amplificatori ottici: tecnologie e figure di merito; amplificatori a fibra drogata con erbio: configurazione ad alta potenza e a basso rumore (1 CFU);
- Fibre speciali: fibre a cristallo fotonico, fibre cave; Ottica non lineare e plasmonica (1 CFU).
Metodi didattici
Lezioni frontali, strumenti multimediali, tutorials, attività da casa e di laboratorio.
Le lezioni potrebbero svolgersi online (streaming e registrazione) oppure in presenza in dipendenza dall'evoluzione dello scenario legato all'emergenza COVID-19. Allo stesso modo le esperienze di laboratorio potrebbero svolgersi:
a) da remoto con virtualizzazione del laboratorio;
b) a casa tramite l'uso di kit preparati dal docente e video tutorial;
c) in presenza.
Attività di simulazione basate sul portale www.nanohub.org.
Attività di lavoro a gruppi on-line tramite apposite piattaforme software.
Testi di riferimento
Appunti delle lezioni e videoregistrazioni.
Slides e articoli di ricerca.
Capitoli selezionati da:
S.Carrara, "Bio CMOS interfaces and Co-Design", Springer
K.Iniewski, "CMOS Biomicrosystems", Wiley
S. Selleri, L. Vincetti, A. Cucinotta, "Optical and Photonic Components", Esculapio (2nd ed. 2015)
ISBN: 9788874889242
Lecture notes and Videorecordings.
Handouts and research papers.
Selected chapters from:
S.Carrara, "Bio CMOS interfaces and Co-Design", Springer
K.Iniewski, "CMOS Biomicrosystems", Wiley
S. Selleri, L. Vincetti, A. Cucinotta, "Optical and Photonic Components", Esculapio (2nd ed. 2015)
ISBN: 9788874889242
Verifica dell'apprendimento
L'apprendimento sarà verificato come segue:
Il voto finale sarà ottenuto considerando i voti ottenuti nelle sezioni "Nanoelectronics and Bioelectronics" e "Advanced Photonics". Il voto non verrà calcolato meramente tramite media aritmetica ma verrà soppesato e ragionato, tenendo conto anche di aspetti non direttamente quantificabili quali, ad esempio ma non esclusivamente, la proprietà di linguaggio, la prontezza, la completezza, la profondità il grado di correttezza della risposta, sia in termini assoluti che comparativamente con gli altri candidati.
Ogni sezione sarà valutata tramite una molteplicità di test:
- esame orale (non meno del 50% del peso relativo);
- compilazione di report di ricerca e presentazione alla classe (se presente - non meno del 30% del peso relativo);
- compilazione di report di laboratorio, compiti assegnati e quiz (se presente - non meno del 20% del peso relativo).
Risultati attesi
Abilità di comprensione:
Tramite lezioni, discussioni aperte in classe ed attività di laboratorio, lo studente acquisisce metodologie di analisi di argomenti avanzati di nanoelettronica, bioelettronica e fotonica, impara a studiare e capire articoli tecnici di ricerca e come leggere i datasheets dei principali componenti e dispositivi.
Abilità nell'applicare la conoscenza:
Tramite le attività di laboratorio, la stesura di report e la presentazione in classe di argomenti assegnati, lo studente impara ad applicare le conoscenze acquisite, in particolare:
- comprensione dei principi di funzionamenti dei principali dispositivi e loro uso;
- definire le specifiche tecniche di sistemi complessi.
Indipendenza nella valutazione:
Tramite la stesure di report, la presentazione in classe di argomenti assegnati, l'analisi dei risultati ottenuti durante le attività di laboratorio e la preparazione all'esame orale, lo studente migliora le proprie abilità di:
- valutazione critica dei concetti e degli stumenti di analisi presentati durante il corso;
- valutazion dell'uso di opportune tecnologie e dispositivi all'interno di sistemi elettronici e/o fotonici complessi.
Abilità comunicative:
Tramite la preparazione alle presentazioni in classe degli argomenti assegnati e all'esame orale, lo studente sviluppa abilità di esprimersi con lessico appropriato, oltre ad abilità nel sostenere conversazioni tecniche avanzate sugli argomenti del corso.
Abilità di apprendimento:
Le attività permettono allo studente di imparare gli aspetti teorici e metodologici necessari a proseguire gli studi in modo autonomo.