«ПРИМЕРНАЯ ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ по направлению 223200 Техническая физика утверждено приказом Минобрнауки России от 17 сентября 2009 г. № 337 Магистерская программа ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ

Сопредседатель Совета УМО вузов

по политехническому университетскому образованию М. П. Федоров (подпись) (ФИО) "" 2010 г.

ПРИМЕРНАЯ ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

по направлению 223200 «Техническая физика»

утверждено приказом Минобрнауки России от 17 сентября 2009 г. № Магистерская программа «Физика нанотехнологий и наноразмерных структур»

Квалификация выпускника магистр Форма обучения очная.

Нормативный срок освоения программы 2 года ФГОС ВПО утвержден приказом Минобрнауки России от 8.12.2009 г. N 703, зарегистрирован в Министерстве юстиции РФ: № 16636 от 16.03. Санкт-Петербург

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Научные руководители магистерской программы

2 Требования к результатам освоения ООП

2.1 Общекультурные компетенции (ОК), которыми должен обладать выпускник

2.2 Профессиональные компетенции (ПК), которыми должен обладать выпускник

2.2.1 Общепрофессиональные

2.2.2 Научно-исследовательская деятельность

2.2.3 Производственно-технологическая деятельность

2.2.4 Проектно-конструкторская деятельность

2.2.5 Организационно-управленческая деятельность

2.2.6 Научно-педагогическая деятельность

2.2.7 Научно-инновационная деятельность

3 Учебный план

3.1 График учебного процесса

3.2 Рабочий учебный план

3.3 Контроль выполнения требований ФГОС ВПО

4 Учебно-методические комплексы дисциплин

4.1 Рабочая учебная программа дисциплины «Физические основы микро- и нанотехнологий»

4.2 Рабочая учебная программа дисциплины «Физика нанокомпозитных материалов»

4.3 Рабочая учебная программа дисциплины «Физико-химические аспекты наноструктурированных материалов»

4.4 Рабочая учебная программа дисциплины «Оптические и кинетические свойства полупроводниковых наноструктур»

4.5 Рабочая учебная программа дисциплины «Современные методы диагностики наноструктур. Теория синтеза электростатических энергоанализаторов»

4.6 Рабочая учебная программа дисциплины «Современные методы диагностики наноструктур. Неупругое рассеяние синхротронного излучения»

5 Рабочие учебные программы практик

5.1 Научно-производственная практика

5.2 Педагогическая практика

5.2.1 Методические рекомендации по организации практики

5.2.2 Рабочая учебная программа дисциплины

5.3 Научно-исследовательская практика

5.3.3 Рабочая учебная программа дисциплины

6 Методические рекомендации по выполнению научно-исследовательской работы

Приложения

Приложение А. Контрольно-измерительные материалы и методики их применения для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации по дисциплинам

А.1 Дисциплина «Физические основы микро- и нанотехнологий».................. А.1.1 Контрольные вопросы к итоговой аттестации

А.1.2 Контрольные вопросы к промежуточной аттестации

А.2 Дисциплина «Физика нанокомпозитных материалов»

А.2.1 Контрольные вопросы к итоговой аттестации

А.2.2 Тестовые задания

А.3 Дисциплина «Физико-химические аспекты наноструктурированных материалов»

А.3.1 Контрольные вопросы к итоговой аттестации

А.3.2 Контрольные вопросы к промежуточной аттестации

А.4 Дисциплина «Оптические и кинетические свойства полупроводниковых наноструктур»

А.4.1 Контрольные вопросы к итоговой аттестации

А.4.2 Контрольные вопросы к промежуточной аттестации

А.5 Дисциплина «Современные методы диагностики наноструктур»

(дисциплины по выбору)

А.5.1 Теория синтеза электростатических энергоанализаторов

А.5.1.2 Контрольные вопросы к промежуточной аттестации

А.5.2 Неупругое рассеяние синхротронного излучения

А.5.2.1 Контрольные вопросы к итоговой аттестации

А.6 Научно-исследовательская практика

А.6.1 Тестовые задания

ВВЕДЕНИЕ

Примерная основная образовательная программа высшего профессионального образования (ПООП) по направлению подготовки магистров 223200 «Техническая физика» является системой учебнометодических документов, сформированной на основе федерального государственного образовательного стандарта (ФГОС ВПО) по данному направлению подготовки, и рекомендуется вузам для использования при разработке основных образовательных программ (ООП) магистратуры, включающих, согласно ФГОС ВПО, учебный план, рабочие программы учебных курсов, предметов, дисциплин (модулей) и другие материалы, обеспечивающие воспитание и качество подготовки обучающихся, а также программы практик и научно-исследовательской работы, итоговой государственной аттестации, календарный учебный график и методические материалы, обеспечивающие реализацию соответствующей образовательной технологии.

Профильная направленность ООП магистратуры определяется высшим учебным заведением, реализующим образовательную программу по соответствующему направлению подготовки. Образовательные учреждения самостоятельно разрабатывают и утверждают ООП магистратуры.

Представленный в качестве примера вариант ПООП разработан для одной из конкретных магистерских программ («Физика нанотехнологий и наноразмерных структур»), который реализуется на кафедре физической электроники радиофизического факультета ГОУ ВПО СПбГПУ.

1 НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ МАГИСТЕРСКОЙ ПРОГРАММЫ

Фотиади Александр Эпаминондович, заведующий кафедрой физической электроники СПбГПУ, председатель УМС по направлению 223200 УМО по политехническому университетскому образованию, профессор СПбГПУ, доктор физико-математических наук (1991), заслуженный работник высшей школы.

Вахрушев Сергей Борисович, заведующий лабораторией нейтронных исследований ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, профессор СПбГПУ, доктор физикоматематических наук (1998), представитель России в Европейской ассоциации рассеяния нейтронов.

2 ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ООП

В результате обучения по программе «Физика нанотехнологий и наноразмерных структур» у выпускника должны быть сформированы следующие компетенции, способствующие социальной мобильности, конкурентоспособности и устойчивости на отечественном и мировом рынке труда и позволяющие выполнять различные задачи, сформулированные работодателями.

2.1 Общекультурные компетенции (ОК), которыми должен обладать выпускник - способность совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, добиваться нравственного и физического совершенствования своей личности;

- способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, пополнению своих знаний в области современных проблем технической физики и смежных наук, готовность к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности, к изменению социокультурных и социальных условий деятельности;

- готовность к активному общению в научной, производственной и социально-общественной сферах деятельности; способность свободно пользоваться русским и иностранным языками как средством делового общения;

- способность использовать на практике навыки и умения в организации научно-исследовательских и научно-производственных работ, в управлении коллективом, готовность оценивать качество результатов деятельности;

- способность проявлять инициативу, в том числе в ситуациях риска, брать на себя всю полноту ответственности;

- способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять свое научное мировоззрение.

2.2 Профессиональные компетенции (ПК), которыми должен обладать выпускник 2.2.1 Общепрофессиональные - способность к профессиональной эксплуатации современного научного и технологического оборудования и приборов (в соответствии с целями ООП «Физика нанотехнологий и наноразмерных структур»);

- способность демонстрировать и использовать углубленные теоретические и практические знания фундаментальных и прикладных наук, в том числе и тех, которые находятся на передовом рубеже физики нанотехнологий и наноразмерных структур;

- способность демонстрировать навыки работы в научном коллективе, готовность генерировать, оценивать и использовать новые идеи (креативность), способность находить творческие, нестандартные решения профессиональных и социальных задач;

- способность вскрыть физическую, естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, провести их качественный и количественный анализ;

- способность осуществлять научный поиск и разработку новых перспективных подходов и методов к решению профессиональных задач, готовность к профессиональному росту, к активному участию в научной и инновационной деятельности, конференциях, выставках и презентациях.

2.2.2 Научно-исследовательская деятельность - способность критически анализировать современные проблемы физики нанотехнологий и наноразмерных структур, ставить задачи и разрабатывать программу исследования, выбирать адекватные способы и методы решения экспериментальных и теоретических задач, интерпретировать, представлять и применять полученные результаты;

- способность самостоятельно выполнять физико-технические научные исследования для оптимизации параметров объектов и процессов с использованием стандартных и специально разработанных инструментальных и программных средств;

- готовность осваивать и применять современные физико-математические методы и методы искусственного интеллекта для решения профессиональных задач, составлять практические рекомендации по использованию полученных результатов;

- способность представлять результаты исследования в формах отчетов, рефератов, публикаций и презентаций.

2.2.3 Производственно-технологическая деятельность - способность разрабатывать и оптимизировать современные наукоемкие технологии в области физики нанотехнологий и наноразмерных структур с учетом экономических и экологических требований;

- способность разрабатывать, проводить наладку и испытания и эксплуатировать наукоемкое технологическое и аналитическое оборудование;

- готовность решать прикладные инженерно-технические и техникоэкономические задачи с помощью пакетов прикладных программ.

2.2.4 Проектно-конструкторская деятельность - способность формулировать технические задания, разрабатывать и использовать средства автоматизации при проектировании и технологической подготовке производства, составлять необходимый комплект технической документации;

- готовность применять методы анализа вариантов проектных, конструкторских и технологических решений, разработки и поиска компромиссных решений.

2.2.5 Организационно-управленческая деятельность - способность владеть приемами и методами работы с персоналом, методами оценки качества и результативности труда, способность оценивать затраты и результаты деятельности научно-производственного коллектива;

- способность находить оптимальные решения при создании продукции с учетом требований качества, стоимости, сроков исполнения, конкурентоспособности и безопасности жизнедеятельности;

- готовность управлять программами освоения новой продукции и технологии, разрабатывать эффективную стратегию.

2.2.6 Научно-педагогическая деятельность - готовность принимать непосредственное участие в учебной и учебнометодической работе кафедр и других учебных подразделений по профилю направления, участвовать в разработке программ учебных дисциплин и курсов;

- способность проводить учебные занятия, лабораторные работы, обеспечивать практическую и научно-исследовательскую работу обучающихся;

- способность применять и разрабатывать новые образовательные технологии.

2.2.7 Научно-инновационная деятельность - готовность и способность применять физические методы теоретического и экспериментального исследования, методы математического анализа и моделирования для постановки задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий;

- способность разрабатывать планы и программы организации инновационной деятельности научно-производственного коллектива, осуществлять технико-экономическое обоснование инновационных проектов;

- готовность к участию в организации и проведении инновационного образовательного процесса;

- готовность к участию в разработке и реализации проектов по интеграции высшей школы, академической и отраслевой науки, промышленных организаций и предприятий малого и среднего бизнеса.

3 УЧЕБНЫЙ ПЛАН

3.1 График учебного процесса Направление: 223200 - Техническая физика; магистерская программа "Физика нанотехнологий и наноразмерных структур"; квалификация: Магистр дисциплины учебного Ядерно-физические методы в физике твердого тела Научно-исследовательская практика ИТОГО:

3.3 Контроль выполнения требований ФГОС ВПО В данном разделе приводятся результаты контроля выполнения в разработанном учебном плане требований ФГОС к содержанию учебного процесса.

Таблица 3.3.1 – Трудоемкость циклов М.1. Общенаучный цикл Базовая часть Вариативная часть М.2. Профессиональный цикл Базовая часть Вариативная часть М.3. Практика и научно-исследовательская работа М.4. Итоговая государственная аттестация Требования ФГОС выполнены.

Согласно ФГОС ВПО, удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, определяется главной целью ООП, особенностью контингента обучающихся и содержанием конкретных дисциплин, и в целом в учебном процессе они должны составлять не менее 40 процентов аудиторных занятий.

Таблица 3.3.2 – Удельный вес интерактивных занятий Семинары: аудиторные занятия/общие аудиторные занятия Примечание: в таблице отражен объем только тех дисциплин, включенных в учебный план, занятия по которым полностью проводятся в интерактивной форме (семинарские занятия, деловой иностранный язык).

Планируется в такой форме проводить и часть практических занятий по другим дисциплинам как базовой, так и вариативной части обоих циклов, что будет отражено в программах соответствующих дисциплин. Это позволит выполнить данное требование ФГОС.

Согласно ФГОС Занятия лекционного типа не могут составлять более процентов аудиторных занятий.

Таблица 4.3.3 – Удельный вес лекционных занятий Лекции: аудиторные занятия/общие аудиторные занятия М.1. Общенаучный цикл Базовая часть М.2. Профессиональный цикл Базовая часть М.3. Практики и научно-исследовательская работа Требование выполнено Согласно ФГОС ВПО при общем объеме учебной нагрузки академических часа в неделю, «максимальный объем аудиторных учебных занятий в неделю при освоении ООП в очной форме составляет не менее академических часов в среднем за весь период ООП».

В плане в каждом семестре суммарная трудоемкость составляет 54 часа в неделю, а аудиторная нагрузка – 32 часа. Требование выполнено.

Согласно ФГОС, ООП магистратуры высшего учебного заведения должна содержать дисциплины по выбору обучающихся в объеме не менее процентов вариативной части обучения. В плане:

Таблица 4.3.4 – Удельный вес дисциплин по выбору М.1. Общенаучный цикл М.2. Профессиональный цикл 3/25=12% 103/869=12% В среднем по ООП Требование выполнено не полностью.

4 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ДИСЦИПЛИН

Учебно-методические комплексы (УМК) дисциплин включают:

- рабочую учебную программу дисциплины;

- учебное пособие (Приложение Б);

- контрольно-измерительные материалы и методики их применения для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации по дисциплине (Приложение А).

В настоящем разделе приводятся рабочие учебные программы основных дисциплин вариативной части ООП магистерской подготовки по программе «Физика нанотехнологий и наноразмерных структур».

4.1 Рабочая учебная программа дисциплины «Физические основы микрои нанотехнологий»

Общая трудоёмкость изучения дисциплины составляет 2 зач. ед. ( часов) 1 Цели и задачи изучения дисциплины «Физические основы микро- и нанотехнологий»

Учебная дисциплина «Физические основы микро- и нанотехнологий»

относится к вариативной части общенаучного цикла дисциплин учебного плана подготовки магистров и имеет своей целью формирование у обучающихся перечисленных ниже компетенций, основанных на усвоении современных представлений о физических процессах и технологиях, лежащих в основе создания субмикронных структур микро-и наноэлектроники, в том числе углеродных наноструктур.

В результате изучения дисциплины студент должен:

Иметь компетенции:

Общекультурные и общепрофессиональные:

- способность самостоятельно пополнять свои знания в области современных проблем физики и технологии микро- и наноструктур кремниевой и углеродной электроники, в частности, субмикронных активных элементов ультрабольших интегральных схем;

- способность собирать, обрабатывать и интерпретировать необходимые данные для формирования суждений по возникающим научным проблемам;

- готовность генерировать, оценивать и использовать новые идеи;

- способность находить творческие, нестандартные решения профессиональных и социальных задач;

- способность вскрыть физическую, естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, провести их качественный и количественный анализ;

- способность осуществлять поддержку и развитие научных технологических инноваций;

- способность браться за новые области на основе самостоятельных занятий;

профессиональные:

- способность критически анализировать современные проблемы микро- и нанотехнологий в сфере наноэлектроники;

- ставить задачи и разрабатывать программу исследования, выбирать адекватные способы и методы решения экспериментальных и теоретических задач, интерпретировать, представлять и применять полученные результаты;

- способность самостоятельно выполнять физические и технологические научные исследования для оптимизации параметров пассивных и активных элементов и технологических процессов их создания с использованием стандартных и специально разработанных инструментальных и программных средств;

- готовность осваивать и применять современные физико-математические методы и методы искусственного интеллекта для решения профессиональных задач, составлять практические рекомендации по использованию полученных результатов, представлять результаты исследования в формах отчетов, рефератов, публикаций и презентаций.

- физические процессы, лежащие в основе технологии создания современных активных и пассивных элементов ультрабольших интегральных схем;

- ко-химические процессы, их особенности для интегральных схем разных типов и других объектов наноэлектроники;

- электрические, магнитные, механические и оптические свойства углеродных наноструктрур и перспективы их использования в наноэлектронике.

- выполнять расчеты основных технологических процессов создания субмикронных элементов микро- и наноэлектроники;

- обоснованно выбирать технологические методы создания новых элементов и структур интегральных схем;

- использовать стандарты и другие нормативные документы при оценке контроля качества изделий;

- пользоваться общенаучной и специальной литературой.

Иметь навыки:

- по анализу разнообразных методик и технологических маршрутов создания структур ультрабольших интегральных схем для научно обоснованного выбора соответствующей технологии, наиболее подходящей для решения конкретной задачи;

- по исследованию нанообъектов современной микро- и наноэлектроники, новой элементной базы, углеродных наноматериалов с использованием сканирующего туннельного, атомно-силового и электронного просвечивающих микроскопов.

Сформировать профессионально-значимые качества личности:

- способность разрабатывать и оптимизировать современные наукоемкие технологии в различных областях технической физики с учетом экономических и экологических требований;

- готовность и способность применять физические и химические методы теоретического и экспериментального исследования, методы математического анализа и моделирования для постановки задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий в области физических основ и процессов микро- и наноэлектроники.

2 Место дисциплины в рабочем учебном плане Курс «Физические основы микро- и нанотехнологий» излагается во втором семестре. Знания, умения и навыки, полученные студентами при изучении таких курсов как «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Физика твердого тела и полупроводников», обеспечивают данную дисциплину. После ознакомления с курсом лекций студенты должны уметь квалифицированно подходить к постановке задач, выбору объектов исследования в связи с их строением и структурой при решении научных и научно-прикладных проблем, связанных с научно-исследовательской практикой, научно-исследовательской работой и подготовкой магистерской диссертации для итоговой государственной аттестации.

3 Распределение объема учебной дисциплины по видам учебных занятий и формы контроля Форма обучения очная Таблица 4.1.1 – Распределение объема дисциплины «Физические основы микро- и нанотехнологий» по видам учебных занятий и формы контроля Виды занятий и формы контроля час/нед 4 Содержание дисциплины 4.1 Разделы учебной дисциплины по рабочей программе и объемы по видам занятий Таблица 4.1.2 – Разделы учебной дисциплины и виды занятий 1 Введение. Основные тенденции развития 2 Эволюция полупроводниковой электроники.

Одноэлектронные устройства 3 Физические и схемотехнические ограничения на уменьшение размеров активных элементов и рост степени интеграции.

4 Физико-химические основы планарной технологии 8 Субмикронная литография и сухое травление 10 Методы реализации СБИС на основе МДПструктур 11 Углеродные наноструктуры в электронике. 6 - Общая трудоемкость: 90 час 4.2 Содержание разделов дисциплины 4.2.1. Введение. Основные тенденции развития микро- и нанотехнологий в полупроводниковой электронике.

Предмет изучения. Основные понятия и терминология. Роль фундаментальных закономерностей, определяющих физико-химические особенности формирования микро- и наноразмерных структур, в развитии технологии и производстве. Экономические и технологические основы уменьшения размеров элементов электроники.

4.2.2. Эволюция полупроводниковой электроники. Одноэлектронные устройства.

Эволюция полупроводниковой электроники. Планарная технология и групповой метод. Приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области и проявления квантовых свойства электрона.

Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады.

Реализация одноэлектронного транзистора в полупроводниковой, углеродной, молекулярной электронике.

Физические и схемотехнические ограничения на уменьшение размеров активных элементов и рост степени интеграции.

Технологические, схемотехнические и фундаментальные физические ограничения уменьшения размеров элементов интегральных схем.

Фундаментальные физические ограничения на уменьшение размеров:

существование минимального рабочего напряжения, статистические неопределенности параметров малых элементов, теплофизические характеристики, эффект туннелирования носителей тока, электромиграция.

Рост числа межсоединений и увеличение времени задержки распространения сигнала между элементами ИС.

4.2.4 Физико-химические основы планарной технологии.

Основные операции планарной технологии. Технологические маршруты производства различных типов интегральных схем. «Критические» операции, определяющие минимальные размеры элементов. Переход с наноразмерным элементам.

4.2.5 Термическое окисление кремния Роль двуокиси кремния в технологии интегральных схем. Методы контролируемого формирования тонких и сверхтонких слоев SiO2. Сегрегация примесей при термическом окислении. Электрические свойства тонких пленок окисла. Проблемы формирования сверхтонких пленок.

4.2.6 Методы легирования.

Физические основы методов легирования в микро-и наноэлектронике.

Ограничения методов термической диффузии. Ионное легирование.

Моделирование процессов диффузии и ионного легирования. Образование и отжиг радиационных дефектов.

4.2.7 Авто-и гетероэпитаксия Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок. Автоэпитаксия кремния. Эпитаксия из газовой фазы. Молекулярно-лучевая эпитаксия.

Формирование наноразмерных структур. Гетероэпитаксия. Получения структур «кремний-на-диэлектрике».

Субмикронная литография и сухое травление.

Методы оптической, рентгеновской и электронной литографии.

Предельная разрешаюшая способность оптической литографии. Оптические системы и источники излучения\ для фотолитографии. Оптическая литография в дальнем ультрафиолетовом диапазоне. Фотолитография с фазовым сдвигом.

Органичения рентгенолитографии. Синхротронное рентгеновское излучение и его применение в рентгеновской литографии высокого разрешения.

Ограничения метода электронной литографии. Эффект близости. Ионная литография.

Методы сухого травления. Анизотропия и селективность травления.

Механизмы ионно-ускоряемого и ионно-возбуждаемого травления.

Низкотемпературная газоразрядная плазма. Плазменное травление, ионное травление, реактивное ионное травление.

4.2.9 Процессы металлизации интегральных схем.

Процессы формирования межсоединений и их вклад в быстродействие интегральных схем. Требования к материалам для межсоединений. Физические и химические методы получения тонких пленок. Удельное сопротивление, контактное сопротивление различных материалов, применяемых в кремниевой технологии. Химическая и физическая адгезия. Эффект электромиграции.

Стойкость к электромиграции. Недостатки алюминиевой металлизации.

Силициды тугоплавких металлов. Системы металлизации на основе меди.

Многоуровневая металлизация.

4.2.10 Методы реализации СБИС на основе МДП-структур.

Структура и параметры МДП-транзистора. Технология производства интегральных схем на МДП-транзисторах. МОП- транзистор с поликремниевым затвором. Принципы самосовмещения. Масштабирование МОП-транзистора. Предельные размеры МОП-транзистора. Структура и технологический маршрут субмикронного транзистора. Эффект короткого канала. КМОП-инвертор. Технологические проблемы создания КМОПинвертора. Трехмерная интеграция. Структуры со слабо легированнами областями истока-стока. Структуры «кремний-на-диэлектрике» со сверхтонким слоем кремния. Структуры с двойным затвором. МДП-транзистор с вертикальным затвором.

4.2.11 Углеродные наноструктуры в электронике Основные представления углеродных наноструктурах. Фуллерены, нанотрубки, графен, их физические свойства. Хиральность углеродных нанотрубок. Электронная структура, электронный спектр, проводимость углеродных нанотрубок. Дефекты нанотрубок. Методы получения и разделения полупроводниковых и металлических нанотрубок, структур на их основе. Полевой транзистор и одноэлектронный транзистор на нанотрубках.

Запоминающие устройства на массивах нанотрубок. Электро-механические устройства.

4.2.12. Перспективы графеновой электроники Методы получения графена. Зонная структура графена. Законы дисперсии в однослойных и двухслойных графеновых структурах. Проводимость графена.

Транзисторные структуры на основе графена.

5. Лабораторный практикум Не предусмотрен 6. Практические занятия Таблица 5.1.3 – Перечень тем практических занятий практических занятий одноэлектронного транзистора.

Принцип постоянства поля. схемотехнические Теплофизические статистические Туннелирование.

двуокиси кремния в сухом и кремния влажном кислороде.

4 Расчет процессов легирования Методы легирования транзисторов. Расчет параметров создания МОП-транзистора.

5 Расчет края профиля маски при Субмикронная литография сухом травлении различными и сухое травление методами.

металлических межсоединений интегральных схем для предотвращения эффекта металлизации. Физические 7 Технологический маршрут и Методы реализации СБИС расчет структуры КМОП- на основе МДП-структур инвертора.

8 Технологический маршрут и Методы реализации СБИС расчет структуры логического на основе МДП-структур элемента на n-канальных МОПтранзисторов.

9 Перспективные конструкции Перспективы графеновой активных элементов на графене. электроники 7. Курсовой проект (курсовая работа) Примерные темы курсовых работ.

1. Термическое окисление кремния 2. Получение мелких p-n переходов методом ионного легирования 3. Интегральные ионно-легированные резисторы и конденсаторы.

4. Логический элемент И-НЕ на n-канальных МОП-транзисторах.

5. Расчет параметров получения кремниевых КНД структур.

6. Субмикронный КМОП-инвертор 7. Трехмерный КМОП-инвертор.

8. МОП-транзистор с вертикальным затвором.

9. Субмикронный биполярный транзистор с изоляцией окислом.

10. Активные элементы на нанотрубках.

8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 8.1 Рекомендуемая литература Основная литература:

Королев М.А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. Часть 1/ М.А.Королев, Т.Ю.Крупкина, М.Г.Путря, В.И.Шевяков — М. БИНОМ, 2009 —-422с.

Борисенко В.Е. Наноэлектроника / В.Е.Борисенко, А.И. Воробьева, Е.А.Уткина. —М.-БИНОМ, 2009— 223с.

Научные основы нанотехнологий и новые приборы [пер. с англ.]/ ред. Р.

Келсалл, И. Хемли, М. Джиогхеган. — М. : Интеллект, 2008. — 800 с.

Дополнительная литература:

1. Рамбиди Н.Г. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры/ Н. Г.

Рамбиди. — М. :Физматлит, 2007. — 256 с.

2. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применения / П.Н. Дьячков. — М. : Бином, 2006. — 293 с.

3. Пул-мл. Ч. Нанотехнологии [пер. с англ.] / Ч. Пул-мл., Ф. Оуэнс. — М. :

Техносфера, 2007. — 375 с.

4. Денисенко В.В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро- и наноэлектронике./В.В.Денисенко —.: Физматлит, 2010. — 406 с.

4.2 Рабочая учебная программа дисциплины «Физика нанокомпозитных материалов»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы ( часа).

1. Цели и задачи изучения дисциплины «Физика нанокомпозитных материалов»

Учебная дисциплина «Физика нанокомпозитных материалов» относится к вариативной части общенаучного цикла дисциплин учебного плана и имеет своей целью формирование у студента универсальных, предметноспециализированных и социально-личностных компетенций, способствующих социальной мобильности, конкурентоспособности и устойчивости на отечественном и мировом рынке труда.

В результате изучения дисциплины студент должен:

Иметь компетенции:

общекультурные и общепрофессиональные:

- готовность и способность учитывать современные тенденции развития микро и нанотехнологии в профессиональной деятельности;

- способность к теоретическим и экспериментальным исследованиям в избранной области технической физики, способность к письменной и устной коммуникации на государственном языке;

- готовность работать с информацией из различных источников, способность использовать современные информационные технологии для поиска и анализа новой информации, способность самостоятельно приобретать, интерпретировать и использовать новые знания, применяя современные информационные технологии для поиска и анализа новой информации;

профессиональные:

- способность применять современные методы исследования физикотехнических объектов, процессов и материалов, проводить стандартные и сертификационные испытания технологических процессов и изделий с использованием современных аналитических средств технической физики;

готовность изучать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике профессиональной деятельности;

- способность предлагать новые идеи и пути решения прикладных проблем, а также быстро осваивать и использовать новейшие достижения современной микро и нанотехнологии.

- физические основы использования нанокомпозитных материалов;

основные тенденции в создании новых нанокомпозитных материалов;

- особенности применения новых нанокомпозитных материалов и технологических процессов в наноэлектронике.

- критически оценивать достоинства, недостатки и области возможного применения новых нанокомпозитных материалов и технологии их получения;

- находить пути оптимального решения конкретных задач в области физической электроники, связанных с использованием нанокомпозитных материалов.

Иметь навыки:

- подготовки рефератов по конкретным направлениям развития нанокомпозитных материалов;

- устных сообщений о результатах проведенного анализа;

- участия в научной дискуссии.

Перечисленные цели и задачи имеют междисциплинарный характер и входят как составная часть в общие цели и задачи основной образовательной программы, обеспечивающей опережающую подготовку магистров с ориентацией на реальные потребности работодателей в квалифицированных и компетентных специалистах, владеющих наукоемкими технологиями мирового уровня.

Сформировать профессионально значимые качества личности:

- готовность к выполнению профессиональных функций в составе коллектива исполнителей;

- способность анализировать технологический процесс;

- способность к использованию результатов новых экспериментальных и теоретических исследований в области нанотехнологии, современных разработок в области технологии нанокомпозитных материалов, к самостоятельному выбору метода и объекта исследования.

2. Место учебной дисциплины в системе дисциплин учебного плана Данная учебная дисциплина изучается во втором семестре в соответствии с инновационным учебным планом ООП и базируется на знаниях, полученных студентами при изучении курсов: «Прикладная физика», «Электронные приборы», «Физика твердого тела и полупроводников», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Специальные вопросы микро и нанотехнологии». Знания, навыки и умения в области физики нанокомпозитных материалов дополняются, конкретизируются и закрепляются при изучении других специальных дисциплин, а также в процессе самостоятельной научно-исследовательской работы. Результаты изучения дисциплины необходимы для самостоятельной научно-исследовательской работы, а также для быстрой адаптации в первичной должности выпускника, работающего в области современных наукоемких технологий, и для его дальнейшего профессионального роста.

3 Распределение объема учебной дисциплины по видам учебных занятий и формы контроля Форма обучения очная Таблица 4.2.1 – Распределение объема дисциплины «Физика нанокомпозитных материалов» по видам учебных занятий и формы контроля 4. Содержание учебной дисциплины 4.1. Разделы учебной дисциплины по рабочей программе и объемы по видам занятий Таблица 4.2.2 – Разделы учебной дисциплины и виды занятий сверхпроводимость в 4.2. Содержание разделов учебной дисциплины Введение Нанокомпозитные материалы как одно из перспективных направлений в создании материалов с заданными физическими свойствами.

4.2.1 Пористые структуры и методы их исследования.

Пористые среды, их основные параметры. Пористость. Методы характеризации пористых сред: электронная микроскопия; Методы, основанные на заполнении смачивающими жидкостями: пикнометрия, капиллярная конденсация; методы основанные на заполнении несмачивающими жидкостями, ртутная порозиметрия; адсорбция газов;

малоугловое рассеяния рентгеновских лучей и нейтронов, определение фрактальной размерности; ядерный магнитный резонанс. Нанопористые материалы. Материалы со случайной системой пор: пористые стекла, аэрогели, ксерогели, трековые мембраны; матрицы с регулярной структурой пор:

цеолиты, мезопористые молекулярные сита, искусственные опалы, хризотиловые асбесты, углеродные нанотрубки, нанопористый анодный оксид алюминия. Получение пористых материалов с заданным размером. Ликвация, спинодальный распад.

4.2.2 Методы создания наноструктур внутри нанопористых матриц.

Методы введения материалов в пористые матрицы. Введение смачивающих поверхность пор материалов из жидкой фазы. Введение несмачивающих поверхность пор материалов из жидкой фазы под давлением.

Угол смачивания, поверхностное натяжение, закон Лапласа, преобразование механической энергии в энергию поверхности. Введение материала из насыщенных и пересыщенных растворов и из растворов в расплаве.

Химические реакции в нанопорах, непосредственный синтез материалов в пористых матрицах, отвод продуктов реакции. Электрохимическое введение металлов в поры, систем металлических нанонитей. Сравнение различных методов, максимальный коэффициент заполнения.

4.2.3 Влияние ограниченной геометрии на оптические свойства материалов.

Квантовый конфайнмент. Сдвиг спектров поглощения и испускания.

Люминесценция, фосфоресценция, спектральная кинетика. Нелинейные оптические эффекты в условиях ограниченной геометрии. Фотонные и фононные кристаллы, запрещенная зона в оптических спектрах. Активные лазерные вещества на основе пористых материалов.

4.2.4 Электронный транспорт и сверхпроводимость в нанокомпозитных материалах Электронный транспорт. Сверхпроводимость в нанокомпозитах.

Зависимость температуры перехода от диаметра пор. Гигантский рост критических магнитных полей. Слабая локализация в нанопроволоках.

Диэлектризация металлического и сверхпроводящего состояний. КвазиПайерлсовский фазовый переход. Система Джозефсоновских контактов.

Термоэлектричество в нанопроволоках. Латинджерова жидкость в полупроводниковых нанокомпозитах.

4.2.5 Замерзание и плавление в конфайнменте Благородные газы. Двухатомные молекулярные соединения. Вода, фазовая диаграмма льда в условиях ограниченной геометрии. Металлы.

Органические соединения. Влияние ограниченной геометрии на область гистерезиса. Жидкие кристаллы. Гелий в условиях ограниченной геометрии.

4.2.6 Структура и фазовые переходы в нанокомпозитных материалах Структура и стехиометрия магнитных нанокомпозитных материалов.

Магнитные фазовые переходы в условиях ограниченной геометрии.Размерный скейлинг в ферромагнетиках. Суперпарамагнитный предел. Разрушение дальнего порядка. Антиферромагнетики в ограниченной геометрии.

Суперпарамагнетизм в антиферромагнитных нанокомпозитах.

Сегнетоэлектрические материалы в условиях ограниченной геометрии.

Гиганский диэлектрический отклик нанокомпозитов и предплавительное состояние. Особенности диэлектрической релаксации. Влияние ограниченной геометрии на параметры и вид фазовых переходов в сегнетоэлектриках.

4.2.7 Применение нанокомпозитных материалов.

Создание материалов с заданными механическими и тепловыми параметрами. Нанокомпозитные сегнето- и пьезоэлектрические материалы на основе пористых сегнетокерамик: использование в медицине и эхолокации.

Материалы для оптической записи информации: глубокие трехмерные голограммы, использование монолитных ксерогелей. Нанокомпозитные лазерные среды на основе пористых стекол с внедренными красителями.

Фотонные кристаллы на основе искусственных опалов. Модификация свойств за счет введения материалов с заданной диэлектрической проницаемостью.

Получение «обращенных» полупроводниковых искусственных опалов.

4.2.8 Перспективы дальнейшего развития нанокомпозитных материалов.

Разработка систем СВЧ генерации на основе регулярных массивов джозефсоновских контактов. Использование нестационарного эффекта Джозефсона для генерации в СВЧ диапазоне. Управление частотой генерации.

Создание двух- и трехмерных решеток джозефсоновских контактов.

Разработка микроканальных пластин на основе пористых матриц.

Использование природных хризотиловых асбестов как основы для микроканальных пластин с пространственным разрешением порядка 20 – 30 нм.

Модификация свойств сегнетоэлектриков и магнетиков при диспергировании. Возможность преодоления суперпарамагнитного предела.

Формирование предплавительного состояния с гигантским диэлектрическим откликом.

Разработка «аккумуляторов механической энергии на основе нанопористых материалов.

4.2.9 Физические основы сканирующей зондовой микроскопии Принцип получения изображения в зондовом микроскопе. Сканирующие элементы зондового микроскопа. Трипод. Пъезокерамика. Нелинейность пъезокерамики. Гистерезис пъезокерамики.

4.2.10 Сканирующая атомно-силовая микроскопия Силовое взаимодействие между зондом и поверхностью. Датчик силового взаимодействия – кантеливер. Задача Герца. Силы Ван-Дер-Ваальса. Энергия ориентационного взаимодействия. Энергия индукционного взаимодействия.

Энергия дисперсионного взаимодействия. Влияние консервативных сил на решение задачи Герца. Методы атомно-силовой микроскопии. Формирование изображения в атомно-силовой микроскопии.

4.2.12 Сканирующая туннельная микроскопия Туннельный эффект. Распределение электронов в приграничной области твердого тела. Потенциальный барьер. Плотность туннельного тока между зондом и образцом. Разрешающая способность туннельного микроскопа.

Режимы работы сканирующего туннельного микроскопа.

4.2.13. Заключение Преимущества и недостатки накокомпозитных материалов на основе пористых матриц по сравнению с другими наноструктурами.

6. Курсовой проект Не предусмотрен 7. Учебно-методическое и информационное обеспечение учебной дисциплины 7.1. Рекомендуемая литература Основная литература:

1. Нанотехнология: физика, процессы, технология, приборы / под ред.

Лучинина В.В., Таирова Ю.М. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006 – 552 с.

2. Имри Й. Введение в мезоскопическую физику. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 304 с.

3. Вахрушев С.Б., Голосовский И.В., Королева Е.Ю., Кумзеров Ю.А., Набережнов А.А., Филимонов А.В., Фотиади А.Э. Физика наноразмерных структур. Создание и исследование нанокластерных материалов в пористых матрицах: Учебное пособие С.-Петербург: Изд-во Политехн. Ун.-та. 2007, 41 с.

Дополнительная:

1. Y. Kumzerov and S. Vakhrushev “Nanostructures Within Porous Media” in “Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology” ed. H.S.Nalwa American Scientific Publishers (Stevenson Ranch, CA) v.7 pp. 811-849 (2004) 2. Nanotechnology news: http://www2.nanotechweb.org/ 3. Материалы 2-й Всероссийской Конференции по Наноматериалам:

http://www.solid.nsc.ru/nano2007/RUS/soderzhanie.htm 4. Архипов А.В., Мишин М.В., Филимонов А.В. Прикладная физика.

Физические основы вакуумной и криогенной техники, Изд-во Политехн. Ун-та, 2007. 206 с.

7.2. Программное и коммуникационное обеспечение:

Для иллюстрации излагаемого на лекциях материала необходим компьютерный проектор и лицензионное программное обеспечение «MS Office XP», а также копировальное устройство и расходные материалы, позволяющие обеспечить всех студентов твердыми копиями демонстрируемых слайдов.

8. Материально-техническое обеспечение учебной дисциплины При изучении дисциплины не требуются специализированные лаборатории и классы, особые приборы, установки, стенды и т.п. В процессе проведения текущего тестирования 2-3 раза в семестр потребуется компьютерный класс с доступом в локальную сеть. Для самостоятельной работы студентам потребуется возможность выхода в Internet.

9. Методические рекомендации по организации изучения учебной дисциплины В связи с тем, что технология создания современных нанокомпозитных материалов и направления их применения кардинально обновляются, в среднем, каждые два года, учебная литература не успевает отслеживать эти изменения. Поэтому содержание курса, также ежегодно обновляемое, основывается на научных публикациях в периодических изданиях и на сайтах ведущих корпораций.

4.3 Рабочая учебная программа дисциплины «Физико-химические аспекты наноструктурированных материалов»

Общая трудоёмкость изучения дисциплины составляет 3 зач. ед. ( часов) 1 Цели и задачи изучения дисциплины «Физико-химические аспекты наноструктурированных материалов»

наноструктурированных материалов» относится к вариативной части профессионального цикла дисциплин учебного плана подготовки магистров и имеет своей целью формирование у обучающихся перечисленных ниже компетенций, основанных на усвоении современных представлений о физических, химических и биологических свойствах различных наноматериалов, а также о возможности использования нанообъектов в перспективных областях промышленности.

В результате изучения дисциплины студент должен:

Иметь компетенции:

Общекультурные и общепрофессиональные:

- способность самостоятельно пополнять свои знания в области современных проблем физики нанотехнологий и наноразмерных структур, в частности, структур пониженной размерности;

- способность собирать, обрабатывать и интерпретировать необходимые данные для формирования суждений по возникающим научным проблемам;

- готовность генерировать, оценивать и использовать новые идеи;

- способность находить творческие, нестандартные решения профессиональных и социальных задач;

- способность вскрыть физическую, естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, провести их качественный и количественный анализ;

- способность осуществлять поддержку и развитие научных технологических инноваций;

- способность браться за новые области на основе самостоятельных занятий.

Профессиональные:

- способность критически анализировать современные проблемы наноструктурурированных материалов, ставить задачи и разрабатывать программу исследования, выбирать адекватные способы и методы решения экспериментальных и теоретических задач, интерпретировать, представлять и применять полученные результаты;

- способность самостоятельно выполнять физико-химические научные исследования для оптимизации параметров объектов и процессов с использованием стандартных и специально разработанных инструментальных и программных средств;

- готовность осваивать и применять современные физико-математические методы и методы искусственного интеллекта для решения профессиональных задач, составлять практические рекомендации по использованию полученных результатов, представлять результаты исследования в формах отчетов, рефератов, публикаций и презентаций.

наноматериалах, их структурные особенности;

- размерные зависимости электрических, магнитных, тепловых, химических, механических и оптических свойств наообъектов и наноструктурированных материалов.

- выполнять расчеты основных свойств наноматериалов;

- обоснованно выбирать методы изучения наноматериалов;

- использовать стандарты и другие нормативные документы при оценке контроля качества изделий;

- пользоваться общенаучной и специальной литературой.

Иметь навыки:

- по анализу разнообразных наноматериалов для научно обоснованного выбора соответствующего нанообъекта, наиболее подходящего для решения конкретной задачи; по исследованию наноструктурированных материалов с использованием сканирующего туннельного, атомно-силового и электронного просвечивающих микроскопов.

Сформировать профессионально-значимые качества личности:

- способность разрабатывать и оптимизировать современные наукоемкие технологии в различных областях технической физики с учетом экономических и экологических требований;

- готовность и способность применять физические и химические методы теоретического и экспериментального исследования, методы математического анализа и моделирования для постановки задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий в области нанотехнологий и наноразмерных структур.

2 Место дисциплины в рабочем учебном плане Курс «Физико-химические аспекты наноструктурированных материалов»

излагается во втором семестре. Знания, полученные студентами при изучении таких курсов как «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Физика твердого тела и полупроводников», обеспечивают данную дисциплину. После ознакомления с курсом лекций студенты должны уметь квалифицированно подходить к постановке задач, выбору объектов исследования в связи с их строением и структурой при решении научных и научно-прикладных проблем, связанных с подготовкой магистерской диссертации.

3 Распределение объема учебной дисциплины по видам учебных занятий и формы контроля Форма обучения очная Таблица 4.3.1 – Распределение объема дисциплины «Физико-химические аспекты наноструктурированных материалов» по видам учебных занятий и формы контроля Виды занятий и формы контроля 4.1 Разделы учебной дисциплины по рабочей программе и объемы по видам занятий Таблица 4.3.2 – Разделы учебной дисциплины и виды занятий Введение. Историческая справка, основные 2 Относительная роль физических и химических нанообъектам 3 Особые физические и химические свойства наночастиц и наноструктурированных материалов. Зависимость свойств от размера 4 Идеальная и реальная кристаллические структуры наноразмерных материалов 6 Физико-химические основы формирования наноструктурированных материалов 7 Термодинамика явлений в наносистемах.

Квазиравновесие в наносистемах;

9 Электронное строение наночастиц. Поведение электронной подсистемы в наноматериалах 10 Физические и химические свойства наноструктур и композиционных материалов 11 Физические и химические свойства композиционных материалов 4.2 Содержание разделов дисциплины Введение Предмет изучения. Развитие физики нанотехнологии как науки. Основные понятия и терминология.

4.2.1 Классификация нанообъектов Наноструктуированные материалы и наночастицы. Классификация В.

Оствальда по агрегатному состоянию фаз. Классификация по размерам.

Классификация по мерности. Классификация Г. Глейтера основных типов структур неполимерных наноматериалов по химическому составу, распределению фаз и форме. Наноматериалы: функциональные, интеллектуальные, нанообъекты, содержащие специфические группы атомов, молекул нанометровых размеров (до 100 нм). Функциональные наноматериалы:

низкоразмерные объекты; тонкие слои, пленки; нанопроволоки, полимерные наноматериалы. Интеллектуальные наноматериалы: объемные, полимерные и биоматериалы.

4.2.2 Относительная роль физических и химических связей и взаимодействий применительно к нанообъектам Относительная роль гравитационных, электростатических, электродинамических и магнитных взаимодействий на наноуровне. Природа сил притяжения и отталкивания. Когезионная энергия твердых тел. Природа межмолекулярных взаимодействий Ориентационное, индукционное и дисперсионные взаимодействия. Природа водородной связи и ее особенности.

Природа сил Казимира.

4.2.3 Особые физические и химические свойства наночастиц и наноструктурированных материалов. Зависимость свойств от размера частиц Особые свойства нанообъектов, обусловленные соизмеримостью их размеров и характерной длиной физических свойств Особые свойства нанообъектов, обусловленные огромной поверхностной энергии: доля поверхности в наноматериалах, величина поверхностной энергии в наноматериалах. Поверхности и геометрические размеры кристаллов.

Поверхность и геометрические размеры нанообъектов.

4.2.4 Идеальная и реальная кристаллические структуры наноразмерных материалов Структурные и электронные магические числа. Зависимость периода решетки от размеров наноматериала. Дефекты кристаллической решетки наноматериалов. Точечные дефекты в наночастицах. Линейные дефекты в наноматериалах. Микроискажения кристаллической решетки.

4.2.5 Поверхностные явления и межфазные процессы Поверхность, границы, морфология наноматериалов. Доля поверхности в наноматериалах. Величина поверхностной энергии. Поверхностный потенциал Гиббса. Уравнения и характеристики условий термодинамической стабильности межфазных границ в наносистемах. Границы зерен в наноструктуированных материалах. Поверхностное натяжение. Краевой угол и сцепление с поверхностью. О роли вязкости воды при наномасштабировании.

Поверхностное натяжение. Эффект лотоса.

4.2.6 Физико-химические основы формирования наноструктурированных материалов Формирования наноструктур по механизму «снизу – вверх»

Термодинамические аспекты гомогенного зародышеобразования. Расчет критического размера и изменения свободной энергии зародышей разной формы. Термодинамические аспекты гетерогенного зародышеобразования на поверхности кристалла. Кинетика гетерогенного зародышеобразования Формирования наноструктур по механизму «сверху – вниз».

4.2.7 Термодинамика явлений в наносистемах. Квазиравновесие в наносистемах Особенности термодинамических свойств наносред. Соотношение площади поверхности и массы нанообъектов. Изменение фазовых равновесий в наноразмерных системах. Уравнение Лапласа. Изменение температуры плавления в наноматериалах. Особенности полиморфных превращений в наносистемах. Изменение пределов растворимости твердых растворов.

4.2.8 Кинетика процессов в наноразмерных системах Зависимость параметров химической кинетики от размеров. Скорость реакции. Зависимость скорости реакции от размера частиц. Влияние размера наночастиц на температуру протекания реакции. Кинетика бимолекулярной химической реакции. Роль процессов диффузии. Объемная и поверхностная диффузия. Кинетические особенности химических процессов на поверхности наночастиц. Учет флуктуаций концентраций. Термодинамический подход к описанию влияния размерных факторов на сдвиг химического равновесия.

Пример реакции окисления. Кинетические параметры низкотемпературного окисления нанопорошков металлов. Пороговая температура. Кинетика самовозгорания наноструктурных материалов. Температуры самовозгорания, самовоспламенения. Природа катализа. Площадь поверхности наночастиц.

Катализаторы на основе пористых материалов 4.2.9 Электронное строение наночастиц. Поведение электронной подсистемы в наноматериалах.

Особенности зонной структуры металлов и полупроводников в нанокристаллическом состоянии. Квантовые ямы, проволоки, точки. Эффекты, обусловленные размерами и размерностью нанообъектов: размерные эффекты.

Размерность объекта и электроны проводимости. Ферми-газ и плотность состояний. Потенциальные ямы. Частичная локализация. Свойства, зависящие от плотности состояний. Экситонные переходы в спектрах нанокристаллических полупроводников. Изменение ширины запрещенной зоны. Оценка размеров наночастиц по спектральным данным.

4.2.10 Физические и химические свойства неорганических разупорядоченных наноструктур и композиционных материалов Методы синтеза разупорядоченных твердотельных структур. Метод компактирования при изготовлении наноструктуированного сплава «медь – железо». Получение при быстром отвердевании: газовая атомизация.

Гальванический способ. Механизмы разрушения традиционных поликристаллических материалов. Механические свойства наноструктурированных материалов. Основные параметры и их зависимость от размеров. Нормальный и аномальный закон Холла-Петча.

Наноструктуированные многослойные материалы. Электрические свойства композиционных материалов. Стекла. Металлические нанокластеры в оптических стеклах. Процессы поглощения и рассеяния в наночастицах.

Плазмоны. Пористые стекла. Примеры изготовления наноструктур на их основе.

4.2.11 Физические и химические свойства неорганических упорядоченных наноструктур и композиционных материалов Природные нанокристаллы. Кластер бора В12, фуллериты, кластер KAl кристалла K3C60. Упорядоченные структуры наночастиц в цеолитах и их свойства.

Наноструктурированные кристаллы для фотоники. Кристаллическая и зонная структуры фотонных кристаллов. Двумерный фотонный кристалл, его зонная схема. Фотонные кристаллы с линейными дефектами и их зонные схемы. Понятие фотонной силы.

Упорядоченные решетки наночастиц в коллоидных суспензиях Эффект полиморфизма. Переход Кирквуда-Алдера.

Углеродные наночастицы и нанотрубки. Их строение, получение и разделение. Одностенные и многостенные нанотрубки. Электрофизические свойства. Заполненные углеродные нанотрубки. Капиллярные эффекты. Синтез заполненных нанотрубок.

Энергетическая структура ионизованных состояний идеального молекулярного кристалла. Модель Лайонса. Состояния с переносом заряда.

Электронная поляризация молекул кристалла носителями заряда. Роль структурных дефектов в образовании электронных состояний в молекулярных кристаллах.

5 Лабораторный практикум Не предусмотрен 6 Практические занятия Таблица 4.3.3 – Перечень тем практических занятий Примерный перечень тем практических занятий поверхностей нанообъектов нанообъектов различной формы и их объемов 2 Межмолекулярные взаимодействия Относительная роль поверхностных атомов химические свойства нанообъектов различной формы и наночастиц и атомов, находящихся в их объеме наноструктурированных 4 Структурные магические числа для Идеальная и реальная гранецентрированной и кристаллические структуры гексагональной плотнейшей наноразмерных материалов структур Вычисление ее значения для межфазные процессы различных граней кристалла, в явлениях самосборки 6 Формула Томсона и границы ее Термодинамика явлений в электрона и протона, находящихся наночастиц. Поведение в потенциальных ямах различного электронной подсистемы в 9 Фуллерены, фуллериты, формула Физические и химические Эйлера, углеродные нанотрубки свойства неорганических 7 Курсовой проект (курсовая работа) Не предусмотрен 8 Учебно-методическое обеспечение дисциплины 8.1 Рекомендуемая литература Основная литература:

Андриевский Р.А. Наноструктурные материалы: учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений/ Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля. – М. :

Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с. ISBN 5-7695-2034-5.

Рыжонков Д.И. Наноматериалы: учебное пособие / Д.И. Рыжонков, Левина В.В., Дзидзигури Э.Л.. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 365 с. ISBN 978 – 5 – 94774 – 724 – Cергеев Г.Б. Нанохимия: учебное пособие / Г.Б. Cергеев. – М. : КДУ,. – 336 с. ISBN 978 – 5 – 98227– 288 – Дополнительная литература:

Пул Ч. Нанотехнологии [пер. с англ.] / Ч. Пул, Ф. Оуэнс – М. :

Техносфера, 2007 – 376 с. ISBN 978 – 5 – 94836 – 150 – Hornyak Gabor L., Dutta Joydeep, Tibbals Harry F., Rao Anil K. Introduction to Nanoscince / Gabor L. Hornyak, Joydeep Dutta, Harry F. Tibbals, Anil K. Rao London, New York. : Press. Taylor & Francis Group, 2008. 815 p.

8.2 Технические средства обеспечения дисциплины Обучающие и контролирующие компьютерные программы не требуются.

9 Материально-техническое обеспечение дисциплины Компьютерный класс и аудитория, обеспеченная демонстрационными средствами 4.4 Рабочая учебная программа дисциплины «Оптические и кинетические свойства полупроводниковых наноструктур»

Общая трудоёмкость изучения дисциплины составляет 2 зач. ед. (72 часа) 1 Цели и задачи изучения дисциплины «Оптические и кинетические свойства полупроводниковых наноструктур»

Учебная дисциплина «Оптические и кинетические свойства полупроводниковых наноструктур» относится к вариативной части общенаучного цикла дисциплин учебного плана подготовки магистров и имеет своей целью формирование у обучающихся перечисленных ниже компетенций, основанных на усвоении современных представлений об оптических и кинетических свойствах полупроводниковых наноструктур, а также о возможности использования наноструктур в приборах опто- и наноэлектроники.

В результате изучения дисциплины студент должен:

Иметь компетенции:

Общекультурные и общепрофессиональные:

- способность самостоятельно пополнять свои знания в области современных проблем физики нанотехнологий и наноразмерных структур;

- способность собирать, обрабатывать и интерпретировать необходимые данные для формирования суждений по возникающим научным проблемам;

- готовность генерировать, оценивать и использовать новые идеи;

- способность находить творческие, нестандартные решения профессиональных и социальных задач;

- способность вскрыть физическую, естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, провести их качественный и количественный анализ;

- способность осуществлять поддержку и развитие научных технологических инноваций;

- способность браться за новые области на основе самостоятельных занятий.

Профессиональные:

- способность критически анализировать современные проблемы полупроводниковых наноструктур, ставить задачи и разрабатывать программу исследования, выбирать адекватные способы и методы решения экспериментальных и теоретических задач, интерпретировать, представлять и применять полученные результаты;

- способность самостоятельно выполнять научные исследования для оптимизации параметров объектов и процессов с использованием стандартных и специально разработанных инструментальных и программных средств;

- готовность осваивать и применять современные физико-математические методы и методы искусственного интеллекта для решения профессиональных задач, составлять практические рекомендации по использованию полученных результатов, представлять результаты исследования в формах отчетов, рефератов, публикаций и презентаций.

- различные типы взаимодейстий оптического излучения с наноструктурами, их спектральные и поляризационные особенности;

- размерные зависимости электрических и оптических свойств полупроводниковых наноструктур;

- различные типы приборов опто- и наноэлектроники, основанных на применении наноструктур.

- выполнять расчеты основных оптических и кинетических свойств полупроводниковых наноструктур;

- обоснованно выбирать методы изучения наноструктур;

- использовать стандарты и другие нормативные документы при оценке контроля качества изделий;

- пользоваться общенаучной и специальной литературой.

Иметь навыки:

- по анализу разнообразных оптических и кинетических процессов в полупроводниковых наноструктурах для научно обоснованного выбора соответствующих структур, наиболее подходящих для решения конкретной задачи;

- по исследованию наноструктур с использованием современной измерительной аппаратуры.

Сформировать профессионально-значимые качества личности:

- способность разрабатывать и оптимизировать современные наукоемкие технологии в различных областях технической физики с учетом экономических и экологических требований;

- готовность и способность применять физические методы теоретического и экспериментального исследования, методы математического анализа и моделирования для постановки задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий в области физики структур пониженной размерности.

2 Место дисциплины в рабочем учебном плане Курс «Физико-химические аспекты наноструктурированных материалов»

излагается в первом семестре. Знания, полученные студентами при изучении таких курсов как «Квантоворазмерные системы», «Физика твердого тела и полупроводников», обеспечивают данную дисциплину. После ознакомления с курсом лекций студенты должны уметь квалифицированно подходить к постановке задач, выбору объектов исследования в связи с их строением и структурой при решении научных и научно-прикладных проблем, связанных с подготовкой магистерской диссертации.

3 Распределение объема учебной дисциплины по видам учебных занятий и формы контроля Форма обучения очная Таблица 4.4.1 – Распределение объема дисциплины «Оптические и кинетические свойства полупроводниковых наноструктур» по видам учебных занятий и формы контроля Виды занятий и формы контроля час/нед 4.1 Разделы учебной дисциплины по рабочей программе и объемы по видам занятий Таблица 5.4.2 – Разделы учебной дисциплины и виды занятий Введение. Историческая справка, основные понятия и терминология 3 Электрон-фононное взаимодействие в квантовых 4 Примесные состояния в системах с пониженной размерностью 5 Кинетические явления в системах с пониженной размерностью 7 Общие особенности поглощения света в квантовых 8 Межзонное поглощение света в квантовых ямах 2 9 Внутризонное поглощение света в квантовых яма сверхрешеткахх и 10 Влияние непараболичности и многочастичных эффектов на спектр межподзонного поглощения 4 света в квантовых ямах 12 Применение квантоворазмерных структур в оптоэлектронных приборах 4.2 Содержание разделов дисциплины Введение Предмет изучения. Развитие физики наноструктур как науки. Основные понятия и терминология.

4.2.1 Размерное квантование Спектр энергии и волновые функции электрона в квантовых ямах, квантовых точках и квантовых нитях. Статистика носителей заряда в системах с пониженной размерностью.

4.2.2 Фононы в системах с пониженной размерностью Квантовый размерный эффект. Фононы в объемных кристаллах.

Уравнения динамики атомов решетки. Гармоническое приближение.

Динамическая матрица. Нормальные моды решетки. Квантово-механическое описание динамики решётки. Акустические и оптические фононы. Фононы в гетероструктурах. Акустические фононы в длинноволновом приближении.

"Сложенные" акустические фононы в сверхрешетках. Коротковолновые акустические и оптические фононы 4.2.3 Электрон-фононное взаимодействие в квантовых ямах Рассеяние электронов на фононах в бесконечно глубокой квантовой яме.

Вероятность рассеяния. Скорость релаксации направленного импульса.

Матричный элемент электрон-фононного взаимодействия для различных типов фононов. Приближение сохранения поперечного квазиимпульса. Рассеяние электронов на деформационном потенциале. Вероятности рассеяния на оптических и акустических фононах. Рассеяние электронов на полярных фононах.

4.2.4 Примесные состояния в системах с пониженной размерностью Локализованные состояния в наноструктурах. Водородоподобный (кулоновский) примесный центр в объемном материале. Энергия связи электрона на примесном центре. Водородоподобный примесный центр в квантовой яме. Уравнение Шредингера. Приближение бесконечно глубокой узкой квантовой ямы. Спектр энергетических уровней.

Зависимость энергии связи от глубины квантовой ямы и положения примесного центра в яме. Интерфейсные дефекты. Уравнение Шредингера с потенциалом дефекта. Уровни энергии электронов в легированных гетероструктурах. Двумерный электронный газ в одиночной и двойной гетероструктурах.

4.2.5 Кинетические явления в системах с пониженной размерностью Кинетические коэффициенты объемных кристаллов. Неравновесная добавка к функции распределения. Время релаксации. Кинетические коэффициенты двумерного электронного газа. Особенности рассеяния электронов в квантовых ямах. Зависимость подвижности электронов и коэффициента термоэдс от ширины ямы. Кинетические коэффициенты сверхрешетки. Анизотропия подвижности в сверхрешетке. Рассеяние электронов на ионах примеси в квантовых ямах. Эффекты экранирования в двумерном электронном газе. Зависимость радиуса экранирования от концентрации.

4.2.6 Квантовый эффект Холла Наблюдение квантового эффекта Холла. Целочисленный и дробный квантовый эффект Холла. Удельное сопротивление в системах различной размерности. Измерение холловского сопротивления. Циклотронная орбита электрона. Дрейф электронов в скрещенных полях. Учет рассеяния электронов на примесях. Квантовые состояния электрона в скрещенных полях. Отсутствие ЦКЭХ в идеальной системе. Роль хаотического потенциала в ЦКЭХ. Краевые состояния в ЦКЭХ. Понятие о дробном квантовом эффекте Холла.

4.2.7 Общие особенности поглощения света в квантовых ямах Типы оптических переходов. Выражение для оператора энергии взаимодействия электрона с электромагнитной волной. Скорость оптических переходов электронов в первом порядке теории возмущений. Учет заполнения состояний. Индуцированные переходы с поглощением и испусканием фотона.

Выражение для коэффициента поглощения света. Особенности введения нормировочного объема, связанные с понижением размерности. Понятие о методе эффективной массы. Вид полной волновой функции электрона в полупроводнике. Вывод выражения для матричного элемента оператора импульса (оптического матричного элемента) в рамках метода эффективной массы. Вид оптического матричного элемента для различных типов оптических переходов (межзонные, внутриподзонные, межподзонные переходы)..

4.2.8 Межзонное поглощение света в квантовых ямах Правила отбора по начальным и конечным состояниям для квантовых ям.

Спектральная зависимость коэффициента поглощения. Экситоны в квантовых ямах. Энергия связи экситона в квантовой яме. Зависимость энергии связи экситона от ширины и глубины ямы. Особенности, связанные с наличием легких и тяжелых дырок. Проявление экситонов в спектрах поглощения.

Влияние электрического поля на межзонное поглощение света. Продольное и поперечное поле. Размерный эффект Штарка. Расчет штарковского сдвига уровня. Сдвиг пика экситонного поглощения в продольном и поперечном электрическом поле. Поляризационная зависимость межзонного поглощения света. Структура волновых функций зоны проводимости и валентной зоны с учетом вырождения и спин-орбитального взаимодействия. Оптический матричный элемент. Правила отбора по поляризации для оптических переходов легких и тяжелых дырок. Эксперимент: методики фотолюминесценции и возбуждения фотолюминесценции. Правила отбора для излучения круговой поляризации. Оптическая ориентация спина. Эффект Ханле.

4.2.9 Внутризонное поглощение света в квантовых яма сверхрешеткахх.

Матричный элемент для огибающих волновой функции. Правила отбора по состояниями и поляризации излучения для квантовых ям различного типа.

Спектр межподзонного поглощения. Фотоионизация квантовой ямы.

Резонансные и нерезонансные квантовые ямы. Поглощение света при межподзонных переходах дырок. Поглощение света при внутриподзонных переходах электронов в квантовых ямах. Оптический матричный элемент.

Правила отбора, необходимость привлечения центров рассеяния импульса для описания внутриподзонного поглощения. Понятие о виртуальных переходах и виртуальных состояниях. Внутризонное поглощение света в сверхрешетках.

Спектр энергии электрона в сверхрешетке. Минизоны. Минизонный спектр в рамках приближения сильной связи. Коэффициент поглощения света при переходах электронов между минизонами. Переходы в резонансные состояния примеси.

4.2.10 Влияние непараболичности и многочастичных эффектов на спектр межподзонного поглощения света в квантовых ямах Факторы, влияющие на положение пика межподзонного поглощения света. Деполяризационный сдвиг пика межподзонного поглощения. Граничные условия для напряженности электрического поля световой волны.

Диэлектрическая проницаемость двухуровневой системы, спектральные зависимости вещественной и мнимой частей диэлектрической проницаемости.

Деполяризация среды в области пика поглощения. Величина деполяризационного сдвига пика поглощения. Эффекты деполяризации при фотоионизации квантовой ямы. Влияние непараболичности зонного спектра объемного полупроводника на межподзонное поглощение. Приближение продольной и поперечной эффективных масс, их зависимости от ширины ямы.

Температурная зависимость спектра межподзонного поглощения света с учетом непараболичности. Влияние многочастичных эффектов на межподзонное поглощение света в квантовых ямах. Многочастичная волновая функция.

Принцип неразличимости тождественных частиц и принцип Паули. Потенциал Хартри. Приближение Хартри-Фока. Обменная энергия. Природа обменного взаимодействия. Зависимость положения пика межподзонного поглощения от поверхностной концентрации электронов - сравнение эксперимента и расчета, учитывающего различные механизмы.

4.2.11 Нелинейная оптика наноструктур Линейная и нелинейная оптика. Тензоры нелинейной восприимчивости.

Описание нелинейных явлений в средах с различными временами релаксации.

Нелинейные эффекты, связанные с виртуальными возбуждениями.

экситонным оптическим эффектом Штарка. Нелинейные эффекты при поглощении света. Зависимость спектра межзонного поглощения от уровня оптического возбуждения.

4.2.12 Применение квантоворазмерных структур в оптоэлектронных приборах Прибор на электрооптическом эффекте с обратной связью (SEED).

Схематическое устройство SEED на множественных квантовых ямах.

Графическое определение рабочей точки SEED. Использование SEED как бистабильного устройства. Сложность создания инжекционных лазеров с большой длиной волны излучения. Лазер среднего ИК и терагерцового диапазонов на межподзонных переходах электронов в КЯ (каскадный лазер).

Схема и принцип работы каскадного лазера. Электронные переходы в каскадном лазере. Коэффициент полезного действия каскадного лазера.

5 Лабораторный практикум Не предусмотрен 6 Практические занятия Не предусмотрены 7 Курсовой проект (курсовая работа) Не предусмотрен 8 Учебно-методическое обеспечение дисциплины 8.1 Рекомендуемая литература Основная литература:

Фотоэлектрические явления в полупроводниках и размерно-квантованных структурах: Учебное пособие/ Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, Г.Г. Зегря, Д.А.

Фирсов, В.А. Шалыгин, И.Н. Яссиевич, Е.В. Берегулин. С.-Петербург: Наука, 2001, 248 стр.

Л.Е. Воробьёв, Е.Л. Ивченко, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин. Оптические свойства наноструктур (Под ред. Е.Л. Ивченко и Л.Е. Воробьева). С.Петербург: Наука, 2001. -188 с.

П. Ю, М. Кардона. Введение в физику полупроводников. М.: Физматлит, 2002. -560с.

В.Э. Гасумянц, С.Н. Лыков, Д.А. Пшенай-Северин, С.А. Рыков, Д.А.

Фирсов. Размерное квантование. Часть 1. Энергетический спектр наноструктур.

С.-Петербург: Изд-во Политехнического университета, 2008. -258 с.

Дополнительная литература:

Воробьев Л.Е., Голуб Л.Е., Данилов С.Н., Ивченко Е.Л., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Оптические явления в полупроводниковых квантово-размерных структурах – С.-Петербург: Изд. СПбГТУ, 2000 – 156 с.

Андо Т., Фаулер Ф., Стерн Ф Электронные свойства двумерных систем М.: Мир, 1985. - 415 с.

8.2 Технические средства обеспечения дисциплины Обучающие и контролирующие компьютерные программы не требуются.

9 Материально-техническое обеспечение дисциплины Не требуется 4.5 Рабочая учебная программа дисциплины «Современные методы диагностики наноструктур. Теория синтеза электростатических энергоанализаторов»

Общая трудоёмкость изучения дисциплины составляет 5 зач. ед. ( часов) электростатических энергоанализаторов»

Учебная дисциплина «Теория синтеза электростатических энергоанализаторов» является фундаментальным элементом физикоматематического и естественно-научного цикла дисциплин учебного плана и имеет целью приобретение студентами знаний физических основ и методик электронной спектроскопии и масс-спектрометрии и особенно устройства электронно-оптических трактов спектрометрических систем. Студенты приобретают серьезную теоретическую подготовку по разработке новых систем энерго-масс-анализа, овладевают навыками инновационной (изобретательской) деятельности в данной области и могут успешно работать в научноисследовательских и проектных организациях научного приборостроения России.

В результате изучения дисциплины студент должен:

Иметь компетенции:

Общенаучные и общепрофессиональные: способность самостоятельно разбираться в современных тенденциях масс-спектрометрических и электронноспектроскопических исследований и, в частности, в противоречивых и трудно удовлетворяемых требованиях к электронно-оптическим характеристикам аналитических приборов. Студенты должны сознавать предельные возможности, допускаемые природой, по достижению высоких параметров разрешающей способности масс-анализаторов и электронных спектрометров в сочетании с высокой чувствительностью. Данная дисциплина вооружает студентов возможностью синтеза оригинальных электронно-оптических схем с «патентными» признаками, обеспечивающими российский приоритет в области научного приборостроения. Для достижения поставленных целей студенты обязаны приобрести умение мыслить аналитически, ставить задачи в корректной математической форме, доступными как аналитическим методам решения, так и компьютерным вариантам оптимизационных стратегий. В компетенцию студентов, таким образом, входит разработка энерго-масс-анализаторов, начиная от идейных посылок и вплоть до реальных рабочих схем, позволяющих конструкторское и экспериментальное воплощение. Кроме того, они обязаны понимать и оценивать меру допусков реальных конструкций и давать практически достоверные рекомендации. Перечисленные требования предполагают усиленное владение методами теоретической физики и, особенно, аналитической механики и электродинамики и, безусловно, необходимо очень хорошее владение математикой в части анализа, теории дифференциальных уравнений и теории функций комплексного переменного.

- современные проблемы прикладной физики по профилю подготовки;

- перспективы развития и использование достижений энерго-массанализа как части физической электроники в области физических и химических исследований и нанотехнологии;

- основные пути усовершенствования электронно-оптических трактов аналитических приборов.

- ставить задачи по синтезу новых электронно-оптических схем энергоанализаторов и масс-спектрометров;

- доводить расчеты до конструкторских решений и добиваться их патентной чистоты;

- правильно и объективно оценивать свои достижения в контексте современного состояния проблем.

Иметь навыки:хорошо владеть физико-математическими моделями основных физических явлений, происходящих в электронных и ионных трактах энерго-массанализаторов, начиная от источника и вплоть до детектора;

- навыки постановки новых задач в этой области и проведения конкретных математических расчетов с оценкой возможных ошибок.

Сформировать профессионально-значимые качества личности:

Студенты должны научиться:

- ставить и самостоятельно решать на самом высоком уровне задачи электронной оптики, относящиеся к синтезу новых совершенных аналитических приборов электронной спектроскопии и масс-спектрометрии;

- быть готовыми к применению своих знаний в нанотехнологии и других наукоемких областях;

- правильно ориентироваться в возможных путях усовершенствования арсенала аналитических приборов;

- развить свои изобретательские способности в области конструирования новых систем энерго-масс-анализа.

2 Место дисциплины в рабочем учебном плане Курс «Теория синтеза электростатических энергоанализаторов»

излагается во втором и третьем семестрах и является одной из дисциплин по выбору по теме «Современные методы диагностики наноструктур»

вариативной части общенаучного цикла учебного плана. Знания, полученные студентами при изучении таких курсов как «Физическая электроника», «Электронная оптика», «Аналитическая механика», «Математика» и «Электродинамика», обеспечивают данную дисциплину. После ознакомления с курсом лекций студенты должны уметь квалифицированно подходить к проблеме выбора, расчета, оптимизации электронно-оптических трактов для аналитического приборостроения с учетом реальных возможностей современной технологии и экономических требований и правильно прогнозировать будущее развиваемых методик. Данная дисциплина имеет приложения в физической электронике, медицине, физике, химии, астрофизике, нанотехнологии и материаловедении.

3 Распределение объема учебной дисциплины по видам учебных занятий и формы контроля Форма обучения очная Таблица 4.5.1 – Распределение объема дисциплины «Теория синтеза электростатических энергоанализаторов» по видам учебных занятий и формы контроля Виды занятий и формы контроля час/нед 4.1 Разделы учебной дисциплины по рабочей программе и объемы по видам занятий Таблица 4.5.2 – Разделы учебной дисциплины и виды занятий 2 Энергоанализирующие свойства планарных симметричных электрических полей 3 Энергоанализирующие свойства трансаксиальных электрических полей 4 Новые конструкции двумерных и разрешения 6 Определение траекторий заряженной частицы в двумерных и осесимметричных электростатических полях с гармоническим потенциалом 7 Движение дипольных частиц в электростатических полях 8 Решение обратных задач движения заряженных Гамильтона–Якоби 9 Системы с телескопическим преобразованием 11 Новые базисные потенциалы для спектрографов и спектрометров 12 Комплексное разделение переменных для электрических полей 13 Теория согласования электронно-оптических элементов 4.2 Содержание разделов дисциплины Предмет изучения. Основные понятия и терминология.

4.2.1 Физические и математические модели Функция эмиссии. Классификация физических ситуаций.

Абстрактная схема энергоанализа.

Физические и математические модели полей и траекторий. Электрические поля и правила подобия для них, принцип энергетической развертки.

Времяпролетный принцип разделения ионов по массам. Магнитные поля.

Подобие полей и траекторий. Комбинированные поля и правила подобия для них.

Общая концепция синтеза энергоанализаторов.

4.2.2 Энергоанализирующие свойства планарных симметричных электрических полей Двумерные симметричные поля. Аналитические способы описания.

Монотонно тормозящее поле. Движение частицы в плоскости симметрии.

Обратная задача фокусировки в плоскости симметрии двумерного поля.

Идеальная фокусировка. Двумерное поле с идеальной фокусировкой в плоскости симметрии. Линейная дисперсия. Плоские траектории. Структура поля. Поперечная фокусировка. Применение в энергоанализе.

Фокусировка заданного порядка и заданной величины в плоскости симметрии. Фокусировка заданного порядка при вынесенных источнике и коллекторе.

Определение поля по заранее заданной линейной энергетической дисперсии.

Двумерное немонотонное поле. Движение частицы в плоскости симметрии.

Суперпозиция двумерных полей. Обратная задача движения. Идеальная фокусировка. Задача о «бумеранге».

4.2.3 Энергоанализирующие свойства трансаксиальных электрических полей Поля трансаксиальных систем. Аналитическое описание.

Прямая задача движения в плоскости симметрии. Обратная задача движения в плоскости симметрии.

Трансаксиальные системы с идеальной фокусировкой в плоскости симметрии. Траектории в плоскости симметрии. Энергетическая дисперсия.

Поперечная фокусировка.

4.2.4 Новые конструкции двумерных и трансаксиальных энергоанализаторов высокого разрешения Физические предпосылки. Этапы эскизного конструирования прибора.

Энергоанализатор «Тутанхамон». Энергоанализатор с вынесенным источником.

Энергоанализатор «Арка».

Энергоанализатор «Лемниската Бернулли».

Энергоанализатор «Рыбий глаз» и родственные ему.

4.2.5 Теория квазиконических энергоанализаторов История вопроса. Генезис физических идей. Классификация полей.

Разностное поле. Общие свойства движения.

Квазиконический энергоанализатор разностного типа. Дисперсия.

Угловая фокусировка в поле.

Суммарное поле. Дисперсия. Фокусировка в поле.

Экспоненциальные рупоры.

4.2.6 Определение траекторий заряженной частицы в двумерных и осесимметричных электростатических полях с гармоническим потенциалом Лиувиллевы и Штеккелевы структуры. Метод Гамильтона–Якоби.

Теорема П. Штеккеля.

Полное разделение переменных в уравнении Гамильтона–Якоби для двумерных полей.

Двумерные гармонические поля с частичным разделением переменных в уравнении Гамильтона–Якоби. Классификация структур. Примеры полевых структур.

Однопараметрические семейства изоэнергетических траекторий в двумерных электростатических полях.

Определение траекторий, близких к изоэнергетическим семействам.

Полное разделение переменных для движения заряженных частиц в осесимметричных гармонических полях. «Декартовы меридиональные координаты. Полярные координаты. Параболические координаты. Координаты сплющенного эллипсоида вращения. Координаты вытянутого эллипсоида вращения.

Элементарные решения уравнения параксиальных траекторий.

Метод подвижного экрана.

4.2.7 Движение дипольных частиц в электростатических полях Общие свойства движения дипольной частицы в электростатических полях.

Движение дипольной частицы с нулевой полной энергией в двумерных и конусовидных гармонических полях.

Меридиональные движения дипольной частицы в осесимметричных гармонических полях при нулевой полной энергии.

Частичное разделение переменных для движения дипольной частицы в двумерных полях.

Формулы обращения для дипольных частиц. Симметричные поля.

Антисимметричные поля. Идеальная фокусировка дипольных частиц.

4.2.8 Решение обратных задач движения заряженных и дипольных частиц при помощи уравнения Гамильтона–Якоби Обратный подход к уравнению Гамильтона–Якоби.

Аналитические преобразования одних электромагнитных полей в другие вместе с траекториями. Отображения, сохраняющие гармоничность двумерных полей. Обобщение способа на скрещенные электрические и магнитные поля.

Преобразование двумерных гармонических полей вместе с траекториями дипольных частиц.

Определение полей с идеальной фокусировкой на основе физических аналогий.

Преобразование полей с идеальной фокусировкой друг в друга.

4.2.9 Системы с телескопическим преобразованием потоков Принцип телескопичности. Двумерные однородные поля нулевой кратности. Трехмерные однородные поля нулевой кратности.

Аналитическое конструирование гармонических однородных потенциалов нулевой кратности. Классификация аналитических структур.

Задача Коши для симметричных полей.

Теория двугранного зеркала. Аналитическая теория. Электроннооптические схемы преобразователя изображения. Преимущества и недостатки.

Полукруговой обрезной конический шлейф.

Трансформационные свойства поля логарифмических спиралей.

Динамика частиц. Компрессионное устройство.

4.2.10 Новые идеи в теории спектрографов Общая постановка проблемы. Специальный принцип подобия в полях, однородных по Л. Эйлеру. Абстрактная схема спектрографа.

Обобщенный принцип подобия.

Спектрографы ленточных потоков. Квадрупольный спектрограф.

Степенные спектрографы. Спектрографы с обобщенным принципом подобия.

Спектрографы конических пучков.

4.2.11 Новые базисные потенциалы для спектрографов и спектрометров Алгоритм построения базисных потенциалов. Общие условия обрыва ряда. Обобщение метода.

4.2.12 Комплексное разделение переменных для электрических полей Электрические поля с кольцевыми особенностями. Генезис потенциалов нового класса. Физическая интерпретация решений. Кольцевые мультиполи.

Применения.

Обобщенное комплексное разделение переменных в теории осесимметричных потенциалов.

Новые аналитические представления мультипольных электромагнитных структур. Степенные ряды для мультипольных структур. Мультипольные системы с кольцевыми особенностями.

О некоторых аналитических связях осесимметричных и двумерных Лапласовых полей.

4.2.13 Теория согласования электронно-оптических элементов Обратные задачи движения для антисимметричных электростатических полей. Псевдооднородные поля.

Примеры применения псевдооднородного приближения. Поле двугранного угла. Поле с идеальной действительной фокусировкой.

Согласующие и корректирующие электрические зеркала. Физические аспекты. Оптические каркас. Зеркальное согласование оптических каркасов.

Электронно-оптический аналог согласующего зеркала.

Квазиэллиптические зеркала с прямолинейной границей поля.

Кубическое согласование пвсевдооднородными полями.

Приложение теории зеркал. Транспортная задача. Управление угловой функцией и конвертирование траекторий. Коррекция аберраций. Превращение одних форм дисперсии в другие с помощью зеркала.

Логарифмические ряды для осесимметричных потенциалов.

Корректирующие электрические слои.

4.2.14 О совмещенном энерго-масс-анализе Времяпролетные электростатические спектрометры. Принцип работы.

Идеальная пространственно-временная фокусировка.

энергоанализатор – TOF.

Системы с двойной идеальной фокусировкой.

4.2.15 Теория электрического удара Понятие электрического удара.

Электрический удар в неоднородных полях. «Прямоугольный удар» в энергоанализаторе «Арка». Тянущий удар в нарастающем поле. Тормозящий удар в нарастающем поле. Тянущий удар в экспоненциально падающем поле.

Тормозящий удар в экспоненциально падающем поле.

Экспоненциальный во времени удар в энергоанализаторе «Арка».

Новый принцип динамической масс-спектрометрии.

5 Лабораторный практикум Не предусмотрен 6 Практические занятия Не предусмотрены 7 Курсовой проект (курсовая работа) Не предусмотрен 8 Учебно-методическое обеспечение дисциплины 8.1 Рекомендуемая литература Основная литература:

Голиков Ю. К. Теория синтеза электростатических энергоанализаторов / Ю. К. Голиков, Н. К. Краснова. — СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2010. — с. — ISBN 978 – 5 – 7422 – 2606 – Галль Л.Н. Физические основы масс-спектрометрии и ее применение в аналитике и биофизике / Л.Н. Галль.— СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2010. — 161 с. — ISBN 978 – 5 – 7422 – 2504 – Дополнительная литература:

Афанасьев В. П. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц / В. П. Афанасьев, С. Я. Явор. — М. : Наука, 1978. — 224 с.

Кельман В. М. Электронная оптика / В. М. Кельман, С. Я. Явор. — Л. :

Наука, 1968. — 487 с.

Силадьи М. Электронная и ионная оптика / М. Силадьи. — М. : Мир, 1990. — 639 с.

8.2 Технические средства обеспечения дисциплины Обучающие и контролирующие компьютерные программы не требуются.

9 Материально-техническое обеспечение дисциплины Компьютерный класс и аудитория, обеспеченная демонстрационными средствами.

4.6 Рабочая учебная программа дисциплины «Современные методы диагностики наноструктур. Неупругое рассеяние синхротронного излучения»

Общая трудоёмкость изучения дисциплины составляет 5 зач. ед. ( часов) 1 Цели и задачи изучения дисциплины «Неупругое рассеяние синхротронного излучения»

Учебная дисциплина «Неупругое рассеяние синхротронного излучения»