Descrizione del modulo "modelli e metodi numerici per la micro e nano elettronica (MD.P05.005.002)"

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  • Descrizione del modulo "modelli e metodi numerici per la micro e nano elettronica (MD.P05.005.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Visto che l'attività teorica è focalizzata a problematiche della micro e nano-elettronica ha una ricaduta anche nella risposta e bisogni individuali e collettivi. Infatti, lo sviluppo, anche tramite simulazioni, di processi di fabbricazione avanzati e di nuovi dispositivi elettronici ha ricadute immediate su molteplici aspetti della qualità della vita degli individui e in un futuro questi avanzamenti contribuiranno sempre maggiormente al miglioramento della qualità della vita stessa. In aggiunta a ciò l'uso delle simulazioni ha ulteriore elemento migliorativo di carattere ambientale, in quanto essendo un attività strutturalmente \"pulita\" non produce gli inquinanti tipici delle attività di sviluppo industriale. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Saranno sviluppate e implementate una serie di metodiche complementari finalizzate al design (sia funzionale che di processo) di dispositivi sia convenzionali che molecolari. Per la simulazione di processo verranno utilizzate metodiche a molte-scale: ab-initio per la stima accurata delle configurazioni atomiche stabili e l'energetica delle transizioni elementari, Dinamica Molecolare per lo studio degli effetti di rilassamento strutturale in strutture difettive, Monte Carlo Cinetico per lo studio della cinetica sui tempi di processo con risoluzione atomica, Modelli al Continuo basati su Equazioni Differenziali alle Derivate Parziali (PDE) per lo studio completo del funzionemento/processo. Le metodiche saranno accoppiate sia in maniera sequenziale che, in casi particolari, in maniera completa (più metodiche nella stessa simulazione). Anche nel caso del design funzionale verranno applicati approcci con accuratezza e scale differenti: ab initio per la simulazione del trasporto elettronico in sistemi con un numero di atomi N(at)~100, tipo Huckel per sistemi con N(at)~1000, a singolo orbitale atomico per sistemi con N(at)>10000, al continuo per dispositivi elettronici e MEMS avanzati. (literal)
Competenze
  • L'attività di ricerca del modulo è sostenuta dalle competenze dei suoi afferenti. I componenti, infatti, hanno una solida preparazione nello sviluppo delle differenti metodiche teorico-computazionali e nell'approccio a molte scale. Tale competenza è attestata da importanti pubblicazioni e comunicazioni, spesso su invito, a congressi internazionali, nel campo dei metodi di calcolo ab-initio, dinamica molecolare e Monte Carlo e al continuo per lo studio dei processi e del trasporto elettronico. L'integrazione delle competenze acquisite nella sviluppo e l'applicazione delle particolari tecniche numeriche permetterà un approccio completo alla risoluzione delle problematiche teoriche da affrontare. A disposizione del modulo c'è un centro di calcolo fornito di un cluster di processori (176 Cores) di tipo Beowulf per calcolo parallelo (connessioni in fibra ottica tra i nodi). Inoltre, la collaborazione con il consorzio COMETA permette l'utilizzo della griglia computazionale GRID. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • L'uso di metodiche di simulazione nella microelettronica ha rappresentato un passo fondamentale per il design ottimale di processi e dispositivi tradizionali, riducendo il numero di costose prove sperimentali e abbreviando il tempo di \"debutto dei prodotti\" sul mercato. Lo sviluppo previsto per i prossimi anni della micro e nano elettronica e dei dispositivi MEM rende ancora più pressante l'implementazione e l'applicazione di tecniche di simulazione. Questa esigenza richiede una notevole innovazione nell'ambito computazionale e teorico, visto che i metodi di simulazione tradizionali, sia di processo che di dispositivo, sono inadeguati per l'applicazione i futuri dispositivi ultra-scalati e molecolari. L'attività del modulo cercando di rispondere a queste esigenze ha quindi un importante possibile impatto per i processi produttivi della futura micro e nano elettronica. (literal)
Tecnologie
  • Le tecnologie impiegate nelle ricerche del modulo rappresentano il bagaglio di base professionale dagli afferenti al modulo. La attività di teorica ricerca nella micro e nano elettronica richiede: l'elaborazione di modelli formulati tramite avanzati rappresentazioni fisico-matematiche (formalismi quantistici in prima e seconda quantizzazione, teoria dei campi, tecniche variazionali, modelli statistici, modelli evolutivi basati su PDE), lo sviluppo di algoritmi che permettono l'approccio numerico al modello, l'implementazione degli algoritmi tramite linguaggi di programmazione adeguati (tipicamente Fortran90, C++ e linguaggi alti tipo MATLAB), l'implementazione di algoritmi equivalenti ma ottimizzati, l'uso di tecniche di parallelizzazione basate in genere su routines MPI. (literal)
Obiettivi
  • L'innovazione futura prevista nel campo della nano elettronica e del fotovoltaico propone una serie sfide alla comunità scientifica che opera in questo settore. Tra gli obiettivi più volte citati nella varie roadmaps è quello dello sviluppo di una modellistica avanzata, adeguata alla caratteristiche dei dispositivi previsti dai futuri nodi tecnologici. Il raggiungimento di tali obiettivi e in linea a quanto previsto nell'attività triennale del modulo. L'approccio a molte metodiche e a molte scale è una risposta adeguata alle sfide che la futura simulazione di processo e di dispositivo propone. L'adeguatezza del metodo sarà valutabile tramite l'applicazione di tali metodiche al funzionamento e/o ai processi di fabbricazione di dispositivi non convenzionali (ad es. celle solari DSSC), dispositivi ultra-scalati (ad es. processi di irraggiamento laser), di disposiviti molecolari (ad es. quelli basati su strutture di carbonio a bassa dimensionalità) o di dispositivi MEMS (ad es. dispositivi che applicano la dielettroforesi per la separazione cellulare). (literal)
Stato dell'arte
  • Lo stato dell'arte delle metodiche citate si può esprimere in termini di ottimizzazione e di stato di avanzamento del modello/formalismo rispetto ai paradigmi attuali. La prima si misura con il tempo macchina necessario a parità di accuratezza del metodo, processore e dimensione (spazio-temporale) del sistema in studio. Tale misura comporta il conseguimento di soglie di qualità tipiche dei codice numerico note in letteratura. Si curerà, quindi, l'ottimizzazione dei codici per il raggiungimento e il superamento di tali soglie, implementando le adeguate metodiche numeriche e di parallelizzazione. Lo sforzo più importante sarà quello teso a superare i paradigmi di applicazione dei formalismi. L'approccio a molte scale è consistente a tale sforzo (ad es. l'uso di risultati ab-initio per calibrare i parametri di modelli semi-empirici permette di ottenere un metodo accurato capace di simulare sistemi più estesi). Inoltre, tale impegno sarà coadiuvato dallo sviluppo dei formalismi per superare paradigmi \"interni\" (ad es. il metodo monte Carlo su reticolo non è adatto allo studio di strutture difettive, mentre la formalizzazione di tale metodo su super-reticoli permetterebbe tale studio). (literal)
Tecniche di indagine
  • Le tecniche di indagine utilizzate per le ricerche rappresentano il tipico approccio fisico-teorico ad una problematica di micro e nano elettronica. La metodologia generale di indagine parte dalla formalizzazione tramite modelli numerico-matematici delle caratteristiche fondamentali adatte alla descrizione dei fenomeni osservati, tramite indagini sperimentali. Tale formalizzazione permette la scelta della metodica particolare (o delle metodiche accoppiate) da applicare e la successiva implementazione dei modelli in programmi di simulazione (per lo più sviluppati in toto o in parte \"in house\"), che consentono di quantificare le osservazioni sperimentali, estrarre parametri e effettuare un design di processo o di dispositivo minimizzandone le matrici di condizioni. (literal)
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