Processi di trasporto classico e quantistico nelle nano-bio-strutture: un nuovo modello teorico e applicazioni

Il lavoro di tesi di dottorato ha lo scopo di studiare teoricamente il processo di trasporto di carica in nanobiostrutture, quali ad esempio nanoparticelle e nanofili, da un punto di vista classico e quantistico. L’argomento è di forte interesse dato il continuo miglioramento tecnologico che rende disponibili un numero crescente di dispositivi con dimensioni caratteristiche di pochi nanometri il cui comportamento elettrico non sempre è spiegabile dai modelli teorici già noti. Viene proposto un nuovo modello che permette di valutare in forma analitica l’andamento della funzione di correlazione delle velocità alla temperatura T, dello spostamento quadratico medio e del coefficiente di diffusione D anche su scale temporali estremamente ridotte, dell’ordine del tempo medio tra gli urti dei portatori di carica. Il modello proposto è stato utilizzato per analizzare dati sperimentali dei materiali più comunemente utilizzati e studiati in tale settore, ossia l’ossido di zinco (ZnO), il biossido di titanio (TiO2), l’arseniuro di gallio (GaAs), il silicio (Si) e i nanotubi di carbonio “single walled” (SWCN). Tale modello non richiede l’aggiunta di parametri non pienamente giustificabili fisicamente, come avviene ad esempio nel caso del modello di Smith e fornisce risultati nuovi (come un’alta diffusività iniziale e fenomeni iniziali di natura oscillatoria in nanodispositivi anche a livello sensoristico), che si prestano a conferma da parte dell’attività sperimentale.

My doctorate thesis has the purpose to study theoretically the transport processes in nanobiostructures, like nanoparticles and nanowires, from a classical and quantum point of view. The matter is of high interest considering the continuous technological improvement, which makes possible an increasing number of devices with characteristic dimensions of few nanometers, whose electric behavior is not always explainable with the known available theoretical models. A new model is proposed, which allows to evaluate in analytical modality the velocities correlation function at temperature T, the mean square deviation of position and the diffusion coefficient D, also on extremely small temporal scales, of order of the average time among the collisions of carriers. The proposed model has been used for analyzing experimental data of the most commonly used and studied materials in such sector, i.e Zinc Oxide (ZnO), Titanium Dioxide (TiO2), Gallium Arsenide (GaAs), Silicon (Si) and "single walled" Carbon Nanotubes (SWCN). This new model doesn't require not fully physically justified parameters, as for example in the Smith model, and it offers new results (like a high initial diffusivity and initial oscillating phenomena in nanodevices also at sensoristic level), which are material of confirmation from the experimental activity.