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Academic Year/course: 2019/20

60038 - Nanoscience and nanotechnology

Syllabus Information

Academic Year:
60038 - Nanoscience and nanotechnology
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
538 - Master's in Physics and Physical Technologies
589 - Master's in Physics and Physical Technologies
Second semester
Subject Type:

1. General information

1.1. Aims of the course

Nanotechnology is nowadays an emerging technology which quickly spreads into real applications. As an example, the increasing miniaturization of electronic devices for more optimized behavior is a driving force to understand the basis of the observed and limiting phenomena and to learn how to produce such small structures. Additionally, new biomedical applications rely on the use of nanoparticles which dimensions and physical properties need to be controlled to produce the desired functionality. These are only two examples of the importance of this course to gain comprehensive understanding of the existing and future technologies in our life. Moreover, the students will be able to use some of the most advanced instrumentation to fabricate and analyze the matter at the smallest scales, gaining an invaluable formation for their future professional development. The properties and functionality of the nano-systems depend on an extensive control of their dimensions. This is why the student needs to know how to achieve such dimensions with physical methods. The student will learn how to grow materials layer-by-layer, even atom by atom. Therefore, in this course, production techniques will be examined, linking the most appropriate technique in each case to the material we wish to handle and the architecture and end properties of the nano-device we intend to produce. Some of these techniques require highly specialized scientific instruments. Zaragoza University and the Aragonese Institutes of Nanoscience (INA) and Science of Materials (ICMA) provide the Master's students with the latest-generation equipment, allowing them to acquire abilities and skills in the management of instruments that are of great value on the curriculum of a professional in disciplines within the field of Nanoscience and Nanotechnology. Together with the courses on “Material Science”, “Physics of Magnetic Materials” and “Low Temperature Physics and Quantum Technologies”, the present course forms a very complementary and profound introduction to the concepts, experimental tools and applications of the research in modern Condensed Matter Physics and Nanotechnology.

2. Learning goals

3. Assessment (1st and 2nd call)

3.1. Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

A continued evaluation will take into account the personal work of the students throughout the course. The students will receive a questionnaire after each of the main sections of the course. The evaluation (50% of the final mark) will reflect the quality of the solutions given to these questionnaires. The course will also comprise five practical sessions at the laboratory. After such sessions, the students will write a short report including the objective of the practical session and the obtained results. The evaluation (50% of the final mark) will reflect the quality of the reports.

The course has been primarily designed for students who are able to attend the lectures on site. However, there will also be an evaluation test for those students who are either unable to attend these lectures or who fail in their first evaluation. The test will consist of solving a questionnaire connected with the expected results of the course. The questionnaire will consist of the following two parts:

  1. 1. One part will contain questions related to the main concepts discussed in the theory part of the course. The student will be given 1,5 hours to solve this part. It will be evaluated from 0 to 10 and the result will count as 50 % of the final mark.
  2. 2. A second part will contain questions related to experimental aspects of the five practical sessions developed during the course. The student will be given 1,5 hours to solve this part. It will be evaluated from 0 to 10 and the result will count as 50 % of the final mark.

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The methodology followed in this course is oriented towards the achievement of theoretical and experimental knowledge in the field of Nanoscience and Nanotechnology. First, the student who follows the lectures will acquire knowledge on the basics concepts of Nanoscience and Nanotechnology, also required for the laboratory sessions. Later, laboratory sessions will enable the student to consolidate learning.

Five practice sessions will be organized using existing research equipment at INA in the Campus Río Ebro. Teachers as well as technicians will help the students to use the required tools and will guide them along the process of writing their reports. The data will be provided for the subsequent student’s analysis.

  • 1.- Growth of thin films and heterostructures by sputtering and laser ablation.
  • 2.- Optical lithography in Clean Room.
  • 3.- Nanolithography in Dual Beam in Clean Room.
  • 4.- Scanning Probe Microscopy: Atomic Force Microscopy.
  • 5.- Magnetic relaxivity of magnetic biocompatible fluids.


4.2. Learning tasks

The course includes the following learning tasks: 

  • Attendance to lectures where the main concepts in Nanoscience will be discussed. These sessions will be complemented with the recommended bibliography, as well as audiovisual material, powerpoint presentations and complementary information, all of them available for the students on the virtual platform Moodle. Student participation will be continuously stimulated by the teachers. Autonomous work of the student is required and tutorial support will be always at student disposal.
  • Autonomous work and study of the course contents.
  • The student will fill in tests aiming to check how well the different concepts have been acquired by the student.
  • The student will attend to 5 practice sessions regarding 5 topics in Nanoscience. They will be organized using existing research equipment at INA in the Campus Río Ebro. 
  • The student will analyze the data and will write reports on their practical work. Teachers as well as technicians will help the students to use the required tools and will guide them in the writing of the report. The data will be provided for the subsequent student’s analysis.

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:


  1. Introduction. The basic concepts of Nanoscience and Nanotechnology will be addressed as well as the precise description of the course.
  2. Preparation of Nanostructures: Vacuum technologies. Technologies for the growth of thin films: sputtering, laser ablation, molecular beam epitaxy, evaporation. Artificial methods for fabrication: optical lithography, electron and ion beam lithography, local probe lithography, nanoimprinting. Self-assembly and self-organization. Fabrication of nanoparticles.
  3. Characterization techniques in Nanoscience: Local probe microscopies (STM, AFM, MFM). Scanning and Transmisión Electrón Microscopy (SEM, TEM, STEM). Characterization techniques of thin films, surfaces and interfaces (XRD, XRR, XPS, Auger, RBS, RHEED). Physical characterization techniques of nanoparticles for biomedical applications.
  4. Applications of Nanoscience and Nanotechnology: Storage and processing of information. Sensors. Biosensors. Nanoelectromechanical systems (NEMS). Applications in telecommunications. Miniaturization in Electronics. Bioferrofluids and magnetic carriers. Contrast agents for MRI. Drug delivery.

Practice sessions

  1. Growth of thin films and heterostructures by sputtering and laser ablation.
  2. Optical lithography in Clean Room.
  3. Nanolithography in Dual Beam in Clean Room.
  4. Scanning Probe Microscopy: Atomic Force Microscopy.
  5. Magnetic relaxivity of magnetic biocompatible fluids.

4.4. Course planning and calendar

Further information concerning the timetable, classroom, assessment dates and other details regarding this course, will be provided on the first day of class or please refer to the Faculty of Science

4.5. Bibliography and recommended resources

Curso Académico: 2019/20

60038 - Nanociencia y nanotecnología

Información del Plan Docente

Año académico:
60038 - Nanociencia y nanotecnología
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
538 - Máster Universitario en Física y Tecnologías Físicas
589 - Máster Universitario en Física y Tecnologías Físicas
Periodo de impartición:
Segundo semestre
Clase de asignatura:

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

Las propiedades y la funcionalidad de los nano-sistemas dependen de un control preciso de sus dimensiones. Por ello el estudiante necesita saber cómo alcanzar tales dimensiones con métodos físicos. El alumno aprenderá cómo hacer crecer los materiales capa a capa, incluso átomo por átomo. Por lo tanto, en este curso, se examinarán las técnicas de producción, considerando la técnica más adecuada en cada caso para el material que queremos utilizar así como la arquitectura y la aplicación final del nano-dispositivo que tenemos la intención de fabricar. Por otra parte, se proporcionará al alumno una visión de las técnicas más comunes y necesarias para la caracterización de nanomateriales. En cada caso se hará hincapié en la información que puede obtenerse de cada una de ellas, al objeto de comprobar que el material sintetizado tiene las propiedades requeridas para su posterior aplicación. Algunas de estas técnicas requieren instrumentos científicos altamente especializados. La Universidad de Zaragoza, el Instituto de Nanociencia de Aragón (INA) y el Instituto de Ciencia de los Materiales de Aragón (ICMA) proporcionan a los estudiantes del Máster equipos de última generación, lo que les permite adquirir habilidades y destrezas en el manejo de instrumentos que son de gran valor en el plan de estudios de un profesional en disciplinas dentro del campo de la Nanociencia y la Nanotecnología.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Junto a los cursos de "Ciencia de Materiales", "Física de materiales magnéticos" y "Física de Bajas Temperaturas y Tecnologías Cuánticas", el curso presente constituye una introducción complementaria y profunda a los conceptos, herramientas experimentales y aplicaciones de la investigación moderna en Física de la Materia Condensada y Nanotecnología.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Esta asignatura cuenta con 5 créditos ECTS ó 125 horas de trabajo del alumno divididos en 3,5 para la teoría y 1,5 corresponden a las sesiones prácticas de laboratorio. El curso se imparte en el primer trimestre del curso académico. El objetivo de este módulo es dar al alumno una visión global de la Nanociencia y Nanotecnología, centrándose en los diversos métodos físicos para la preparación de materiales nanoestructurados, su caracterización y sus aplicaciones. Las clases teóricas se acompañan y complementan con cinco sesiones prácticas a través de las cuales los estudiantes pueden ver de cerca en el laboratorio las dificultades y ventajas de los diferentes métodos de preparación y caracterización de estos materiales, con acceso a equipos altamente especializados que utilizarán bajo supervisión del personal responsable. Con el fin de ser capaz de seguir el curso sin dificultades, el estudiante debe tener un grado en Física, Química o Ingeniería. Otros cursos del Máster opcionales recomendados por su complementariedad son: "Ciencia de  Materiales", "Física de Materiales magnéticos" y "Física de bajas temperaturas y Tecnologías cuánticas".

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para:

  • Consolidar de las competencias básicas y la interrelación entre los diferentes ámbitos de la Física y las Tecnologías de la Física (CE3).
  • Integrar conocimientos, manejar la complejidad y formular juicios con información limitada, en el área de la Física y las Tecnologías de la Física (CE4).
  • Conocer el nivel de importancia de la investigación y las aplicaciones industriales de Física y las Tecnologías de la Física, así como de su desarrollo social, impacto económico y legal (CE6).
  • Realizar un uso del lenguaje apropiado en el campo de la Nanociencia y la Nanotecnología
  • Evaluar la realidad del impacto tecnológico de la Nanociencia y la Nanotecnología.
  • Identificar los temas científicos con gran interés hoy en el campo de la Nanociencia y Nanotecnología.
  • Conocer los principales métodos de síntesis de los objetos a escala nanométrica por métodos físicos.
  • Distinguir los diferentes métodos de litografía y sus aplicaciones.
  • Conocer las principales herramientas disponibles para la caracterización de nano-sistemas y la información obtenida de ellos.
  • Entender las diferencias entre los distintos métodos ‘top-down’ de crear nanosistemas y sus aplicaciones.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados:

  • Madurez para distinguir entre las diferentes aproximaciones, herramientas y técnicas utilizadas en Nanociencia y Nanotecnología.
  • Describir varias aplicaciones en cada uno de los diferentes campos de la Nanotecnología.
  • Diferenciar entre los distintos métodos de crecimiento, fabricación y caracterización de nanosistemas.
  • Nombrar las temáticas más importantes de investigación en Nanociencia.
  • Explicar los diferentes pasos que se requieren en cada aplicación para realizarla en términos de preparación y fabricación de los nanosistemas así como su caracterización.
  • Calcular la interacción entre una punta de AFM y una superficie.
  • Evaluar la reflectividad de rayos X de una película en función de su espesor y rugosidad.
  • Calcular la corriente túnel entre una punta de STM y una superficie.
  • Estimar el ritmo de crecimiento de un material en la técnica FEBID.
  • Calcular la respuesta de un biosensor magnético.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

La nanotecnología es hoy en día una tecnología emergente que se traduce rápidamente en aplicaciones reales. A modo de ejemplo, la creciente miniaturización de los dispositivos electrónicos para el comportamiento más optimizado es una fuerza impulsora para entender la base de los fenómenos observados y sus limitaciones y aprender cómo producir tales estructuras pequeñas. Además, las nuevas aplicaciones biomédicas se basan en el uso de nanomateriales que necesitan ser controlados en cuanto a sus dimensiones y propiedades físicas, para que tengan la funcionalidad deseada. Estos son sólo dos ejemplos de la importancia de este curso para adquirir una comprensión global de las tecnologías existentes y de cómo van a afectar nuestras vidas. Por otra parte, los estudiantes serán capaces de utilizar algunos de los instrumentos más avanzados para fabricar y analizar la materia en las escalas más pequeñas, adquiriendo una formación muy valiosa para su futuro desarrollo profesional.

3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluacion

Una evaluación continua que tendrá en cuenta el trabajo personal de los alumnos durante todo el curso. Los estudiantes recibirán un cuestionario después de cada una de las tres secciones principales del curso. La evaluación (50% de la nota final) reflejará la calidad de las soluciones dadas a los cuestionarios.

El curso también comprenderá cinco sesiones prácticas en el laboratorio. Después de estas sesiones, los alumnos escribirán un breve informe que incluya el objetivo de la sesión de práctica y los resultados obtenidos. La evaluación (50% de la nota final) reflejará la calidad de los informes.

Superación de la asignatura mediante una prueba global única.

El curso ha sido diseñado principalmente para los estudiantes que son capaces de asistir a las clases presenciales. Sin embargo, también habrá una prueba de evaluación para los estudiantes que no puedan asistir a estas clases o que fracasen en su primera evaluación. La prueba consistirá en la resolución de un cuestionario relacionado con los resultados esperados del curso.

El cuestionario estará compuesto por las dos partes siguientes:

1. Una parte contendrá preguntas relacionadas con los principales conceptos tratados en la parte teórica del curso. El estudiante dispondrá de 1,5 horas para resolver esta parte. Se evaluará de 0 a 10 y el resultado supondrá el 50% de la nota final.

2. Una segunda parte contendrá preguntas relacionadas con aspectos experimentales de las cinco sesiones prácticas desarrolladas durante el curso. El estudiante dispondrá de 1,5 horas para resolver esta parte. Se evaluará de 0 a 10 y el resultado supondrá el 50% de la nota final.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

Los resultados programados para este curso incluyen el logro de conocimientos teóricos y experimentales en el campo de la Nanociencia y la Nanotecnología. Para ello, en primer lugar, el estudiante que sigue las sesiones teóricas adquirirá conocimientos sobre los conceptos básicos de Nanociencia y Nanotecnología, también requeridos para las sesiones prácticas. Más tarde, las sesiones prácticas permitirán al alumno fijar dichos conceptos. Más específicamente, las actividades serán:

Clases de teoría: 3,5 ECTS

Estas lecciones tienen por objeto la adquisición de los conocimientos básicos necesarios en Nanociencia y Nanotecnología relacionados con aspectos de Física y Ciencia de Materiales. Estas lecciones serán apoyadas por la bibliografía recomendada, así como por el material audiovisual, presentaciones de PowerPoint y la información complementaria, todos ellos disponibles para los estudiantes en forma digital. La participación del alumno a lo largo de las conferencias será estimulada continuamente por los profesores. Se requiere el trabajo autónomo del estudiante. El apoyo tutorial estará siempre a disposición de los estudiantes.

Clases prácticas: 1,5 ECTS

Se organizarán cinco sesiones de trabajo práctico utilizando los equipos de investigación existentes en el INA en el Campus Río Ebro. Los profesores y técnicos ayudarán al estudiante a utilizar las herramientas necesarias y les guiarán en la redacción del informe. 

4.2. Actividades de aprendizaje

El programa que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos comprende las siguientes actividades:

  • Clases sobre los principales temas de la asignatura. Algunas de éstas  tendrán la forma de seminarios, impartidos por expertos en los campos correspondientes.
  • Sesiones prácticas en nanociencia y nanotecnología.

4.3. Programa

El contenido de las clases y seminarios es:

  1. Introducción. Se abordarán los conceptos básicos de la Nanociencia y la Nanotecnología, así como la descripción precisa del curso.
  2. Preparación de Nanoestructuras: tecnologías de vacío. Tecnologías para el crecimiento de películas delgadas: pulverización catódica, la ablación por láser, epitaxia de haces moleculares, evaporación. Métodos artificiales para la fabricación: litografía óptica, electrónica y por haz de iones, litografía de sonda local, nanoimpresión. Autoensamblaje y autoorganización. Fabricación de nanopartículas. Funcionalización de nanopartículas.
  3. Técnicas de caracterización en Nanociencia: microscopías de sonda local (STM, AFM, MFM). Microscopía Electrónica de barrido y de transmisión (SEM, TEM, STEM). Técnicas de caracterización de películas delgadas, superficies e interfaces (XRD, XRR, XPS, Auger, RHEED, LEED). Técnicas de caracterización física de nanopartículas para aplicaciones biomédicas (tiempo de relajación y relaxatividad).
  4. Aplicaciones de Nanociencia y Nanotecnología: Almacenamiento y procesamiento de la información. Sensores. Biosensores. Sistemas nanoelectromecánicos (NEMS). Las aplicaciones en las telecomunicaciones. La miniaturización en Electrónica. Bio-ferrofluidos. Agentes de contraste para imagen por resonancia magnética.. Nanopartículas para administración de fármacos.

Las sesiones prácticas consistirán en:

  1. Crecimiento de películas delgadas y heteroestructuras por pulverización catódica y ablación con láser pulsado
  2. Litografía óptica en la Sala Blanca para micro-fabricación.
  3. Uso del Dual Beam en Nanotecnología
  4. Caracterización de nanoestructuras mediante técnicas de microscopía de fuerzas atómicas
  5. Medidas de relajatividad en agentes de contraste para MRI.

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Calendario de sesiones presenciales y presentación de trabajos

El calendario final tiene que ser establecido. Se anunciará con antelación.

Las clases se iniciarán y terminarán en la fecha indicada por la Facultad de Ciencias.

  • Clases: 4 sesiones / semana. Fechas a decidir.
  • Prácticas de laboratorio: Se fijarán por el profesor al inicio del curso.
  • Sesiones de evaluación: A decidir.

4.5. Bibliografía y recursos recomendados