Modellizzazione di nanotubi di carbonio metallici

Progetto: Research project

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L’evoluzione tecnologica nel campo dell’elettronica ha ormai raggiunto livelli di miniaturizzazione molto spinti ed il continuo innalzamento delle frequenze di lavoro dei dispositivi elettronici ha coinvolto ormai campi di studio fino ad ora poco esplorati.
In particolare, l’impiego di circuiti elettronici in scala nanometrica, coinvolge strutture realizzate mediante nanotubi di carbonio con diverse caratteristiche.
Nanotubi di carbonio metallici sia a singola parete che a più pareti, in relazione alle proprietà elettriche, termiche e fisiche possedute, sembrano costituire gli elementi più appropriati per realizzare in particolare antenne a dipolo ed interconnessioni.
Il progetto di ricerca si propone di modellizzare il comportamento dei nanotubi di carbonio metallici dal punto di vista elettromagnetico.
L’obiettivo è quello di realizzare uno strumento di indagine utile sia in fase di progettazione di tali strutture, sia in fase di analisi.
Dal punto di vista elettromagnetico, in tali strutture gli effetti “microscopici” dovuti al moto degli elettroni all’interno dei nanotubi, predominano sugli effetti “macroscopici” dovuti alla geometria della struttura.
Ciò induce a schematizzare il comportamento del nanotubo considerando il flusso di elettroni al proprio interno come se fosse un fluido soggetto alle leggi della meccanica classica integrando le equazioni della fluidodinamica con le equazioni di Maxwell che ne descrivono il comportamento elettromagnetico macroscopico.
D’altra parte, è possibile analizzare il comportamento dei nanotubi di carbonio metallici mediante un approccio circuitale di tipo distribuito in cui gli effetti microscopici vengono schematizzati introducendo, opportuni parametri di induttanza, capacità e resistenza.
Per il primo approccio si pensa di impiegare una formulazione basata su un metodo particellare meshfree (smoothed particle hydrodynamics – SPH) impiegato con successo in fluidodinamica.
L’approccio tipo linea di trasmissione prevede lo studio di diverse configurazioni mediante simulatore circuitale commerciale.

Layman's description

La ricerca si propone di mettere a punto modelli dedicati all’analisi di strutture elettromagnetiche impieganti nanotubi di carbonio metallici, con particolare riferimento alle interconnessioni ed alle antenne a dipolo. L’obiettivo è quello di realizzare uno strumento di indagine utile sia in fase di progettazione di tali strutture, sia in fase di analisi.
Dal punto di vista elettromagnetico, in tali strutture gli effetti “microscopici” dovuti al moto degli elettroni all’interno dei nanotubi, predominano sugli effetti “macroscopici” dovuti alla geometria della struttura.
Ciò induce a schematizzare il comportamento del nanotubo considerando il flusso di elettroni al proprio interno come se fosse un fluido. Sotto opportune ipotesi, è infatti possibile trattare gli elettroni in moto come particelle soggette alle leggi della meccanica classica e quindi risolvere le equazioni che ne regolano il moto, unitamente alle equazioni di Maxwell che ne descrivono il comportamento elettromagnetico macroscopico.
D’altra parte, è possibile analizzare il comportamento dei nanotubi di carbonio metallici mediante un approccio circuitale di tipo distribuito in cui gli effetti microscopici vengono schematizzati introducendo, accanto ai parametri tradizionali di induttanza, capacità e resistenza, due nuovi parametri, rispettivamente denominati “quanto di capacità” e “induttanza cinetica”, i cui effetti si sommano ai precedenti. In particolare, da risultati disponibili in letteratura si evince come l’induttanza cinetica, predominante rispetto all’induttanza classica, sia responsabile del differente comportamento delle interconnessioni realizzate con nanotubi rispetto alle interconnessioni realizzate con materiale metallico tradizionale.
Per il primo approccio si pensa di impiegare una formulazione basata su un metodo particellare meshfree (smoothed particle hydrodynamics – SPH) impiegato con successo in fluidodinamica. Il simulatore sarà sviluppato interamente dai componenti l’unità di ricerca. Tale simulatore dovrebbe consentire la caratterizzazione elettromagnetica completa della struttura a nanotubo.
L’approccio tipo linea di trasmissione prevede lo studio di diverse configurazioni mediante simulatore circuitale commerciale, al fine di confrontare il comportamento delle interconnessioni realizzate tramite nanotubo con quelle equivalenti realizzate in materiale tradizionale.
Come evidenziato nella sezione “obiettivi” la ricerca procederà secondo due punti di vista: quello campistico e quello circuitale. Per il primo approccio si pensa di impiegare una formulazione basata su un metodo particellare meshfree (smoothed particle hydrodynamics – SPH) impiegato con successo in fluidodinamica. Tale metodo risolve numericamente le equazioni della fluidodinamica classica basandosi su una discretizzazione particellare del dominio del problema usando un approccio lagrangiano. Le ipotesi di applicabilità di tale metodo allo studio del comportamento elettromagnetico dei nanotubi di carbonio metallici sono le seguenti: a) gli elettroni coinvolti nella conduzione sono quelli della banda di valenza e della banda di conduzione pi-greca, poiché in tale struttura metallica le due bande si sovrappongono in corrispondenza dei punti di Fermi; b) il campo elettromagnetico dovuto al moto degli elettroni pi-greca ed alla eventuale sorgente esterna è molto più piccolo di quello associato al cristallo atomico e variabile lentamente sia temporalmente che spazialmente su scala atomica. Sotto tali ipotesi gli elettroni pi-greca si comportano come particelle quasi classiche e le equazioni che governano il loro moto sono analoghe alle equazioni del moto di cariche puntiformi nel campo elettromagnetico se la massa dell’elettrone è sostituita da un’opportuna massa efficace. Tali assunzioni risultano accettabili nel caso di nanotubi di carbonio metallici con numerosi atomi nella
StatoAttivo
Data di inizio/fine effettiva1/1/07 → …

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