Kursplan för Halvledarfysik - material och heterostrukturer

Grundläggande kurs i fasta tillståndets fysik.

Kursen är avsedd att ge en bred översikt av fältet men även en djup kunskap om halvledarmaterialens fysik och egenskaper hos olika typer av hetero- och kvantstrukturer. Även framställning (syntetisering) och karakterisering av halvledare och kvantstrukturer behandlas.

- Förstå halvledarmaterial, viktiga upptäckter och deras inverkan på vårt samhälle.

- Inhämta grundläggande kunskaper om elektroniska strukturer och klassificering av olika material t.ex. metaller, halvmetaller, grafen, halvledare, isolatorer, topologiska isolatorer.

- Kunna beskriva hur elektrons energidispersion påverkar elektronens massa och rörlighet samt elektrontransport.

- Förstå hur defekter och doping påverkar de elektroniska egenskaperna hos halvledare.

- Förstå och kunna tolka bandscheman för halvledarheterostrukturer.

- Förstå principerna för kvantmekaniska effekter i halvledarnanostrukturer.

- Beskriva metoder för enkelkristallväxt och epitaxi av halvledarmaterial.

- Känna till och förstå grunderna av hur 2D material, som t.ex. grafen, h-BN, MoS2, topologiska isolatorer och deras heterostrukturer, fungerar.

- Förstå och beskriva laddning och spinnpolariserad elektronisk transport i halvledare och nya 2D material.

Inledning: allmän kursinformation, historisk bakgrund, halvledare idag, framtidens material och nya fenomen.

Electron struktur: Kristallstruktur i halvledare, elektronisk energibandstruktur, klassificering  av material t.ex. metaller, halvmetaller, grafen, halvledare, isolatorer, topologiska isolatorer.

Elektrontransport: laddningstransport i halvledare, elektronisk effekt av föroreningar, laddningsspridning, diffusiv och ballistisk transport.

Halvledarytor, gränssnitt och heterostrukturer: metall-halvledar Schottky kontakter, halvledar-halvledarövergångar, halvledar-isolator gränssnitt.

Halvledarväxt och nanofabrikationsteknik och tillämpningar: Kristallväxt, epitaxiell växt, nanofabrikation, elektroniska och optoelektroniska komponenter.

Halvledarkvantstrukturer: Kvantbrunnar, -tråd och -punkt; Elektroniska och optiska egenskaper i kvantstrukturer.

Kvantkomponentfysik i halvledare: Coulomb blockad, kvantpunktkontakter, svag lokalisering, Aharonov-Bohm effekt, Shubnikov de Haas svängningar och Quantum Hall effekter.

Nya tvådimensionella (2D) material: Elektroniska och kvantmekaniska egenskaper i 2D-material t.ex. grafen, hexagonal bornitrid (h-BN), MoS2 och deras heterostrukturer.

Spinnpolariserad elektrontransport i halvledare: Introduktion till spinntronik, Spinnspridning och relaxationsprocesser i halvledare, spinntransport och dynamik i halvledare.

Spinnpolariserad elektrontransport i 2D heterostrukturer: Spinntransport i grafen, spinnpolariserad tunnling genom h-BN, spinn- och dalpolarisering i MoS2.

Topologiska isolatorer: Elektronisk bandstruktur hos topologiska isolatorer, spinnpolariserad ström i topologiska isolatorer.

• Föreläsningar.
• Tre obligatoriska hemuppgifter.
  
• Två obligatoriska laborationer.
• Ett obligatoriskt projektarbete.
  

1. Semiconductor physics and devices, Donald Neamen
2. Spintronics: Fundamentals and applications
   Igor Zutić, Jaroslav Fabian, and S. Das Sarma
   Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004).
3. Lecture notes and literature on 2D materials, Topological insulators and Spintronics
   

Skriftlig tentamen. Betygsskala: U, 3, 4, 5.