ПУД Вычислительная термодинамика 2013

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины
«Вычислительная термодинамика»
для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника»
подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной
техники»
Автор программы: Костин К.А., к.ф.-м.н., доцент, [email protected]
Одобрена на заседании кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и
технологии» «___»____________ 2013 г
Зав. кафедрой В.П. Кулагин
Рекомендована секцией УМС Нанотехнологии и микросистемная техника
«___»________2013 г
Председатель [Введите И.О. Фамилия]
Утверждена УС факультета Электроники и телекоммуникаций
«___»_______2013 г.
Ученый секретарь ________________________
Москва, 2013
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями
университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные
требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину,
учебных ассистентов и студентов направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и
наносистемной техники».
Программа разработана в соответствии с:
 ФГОС ВПО для направления подготовки 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника»;
 Образовательной программой для направления подготовки 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника»;
 Рабочим учебным планом университета по направлению подготовки
222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника», утвержденным в
2013 г.
Цели освоения дисциплины
Целью дисциплины является освоение компетенций ОК-1, ОК-6, ПК-1, ПК-6,
ПК-20, ПК-21 путем изучения изучение явлений, происходящих на межфазных
границах твердых, жидких и газообразных фаз для решения технологических задач
в разработке электронных приборов.
Базовыми дисциплинами являются: математика, физика, физика твердого
тела.
Изучение дисциплины направлено на приобретение навыков анализа факторов, определяющих выбор и ход технологических процессов при создании микро- и наноэлектронных приборов.
2
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Требования к результатам освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать: основные кинетические
и термодинамические характеристики
процессов, протекающих на поверхности раздела твердофазных и жидкофазных систем, а также особенности процессов адсорбции и десорбции на границах
раздела.
уметь: анализировать факторы, определяющие выбор и ход технологических процессов при создании микро- и наноэлектронных приборов.
владеть: основными теоретическими представлениями о строении поверхностей твердых и жидких фаз, влиянии размерного фактора на свойства нанообъектов.
Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина является предметом по выбору и входит в вариативную часть
профессионального цикла программы «Нанотехнологии и микросистемная техника». Знания, умения и компетенции студента, необходимые для изучения данной
дисциплины формируются при изучении дисциплин: Физика, Математика, Химия,
Физика твердого тела.
Тематический план учебной дисциплины
№
Название темы
Всего часов Аудиторные часы Самостояпо дисцительная раплине
бота
Лекции Практич.
занятия
4
2
1 Введение. Общие представле2
ния о наноразмерных системах. Основные понятия и
определения
3
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
2 Поверхностные свойства однокомпонентных двухфазных
систем
3 Поверхности раздела между
14
4
6
4
16
4
8
4
в двухкомпонентных системах
4 Дисперсность и термодина-
18
10
4
4
мические свойства тел
5 Адсорбционные явления
44
8
18
18
6 Образование дисперсных си-
10
6
-
4
108
36
36
36
конденсированными средами
стем
Итого
Формы контроля знаний студентов
Тип контроля
Текущий
Промежуточный
Итоговый
Форма контроля
контроль активности на
лекциях и практических занятиях
реферат,
контрольная
работа,
коллоквиум
зачет
Семестр
Параметры
ответы на вопросы, решение задач, участие в дискуссиях
5
5
см. ниже
5
ответ в устной форме на вопросы
Порядок формирования оценок по дисциплине:
-
текущий контроль предусматривает учет активности студентов в ходе
проведения лекций и практических занятий;
-
промежуточный контроль предусматривает написание одного рефера-
та, прохождения коллоквиума, выполнения контрольной работы;
4
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
-
итоговый контроль проводится в форме устного зачета (10 минут на
подготовку и 5 минут на ответ).
Итоговая оценка формируется как взвешенная сумма оценки, накопленной в
течение курса, и оценки на зачете.
Накопленная оценка (НО) (максимум 10 баллов) включает оценку за работу
на лекциях и практических занятиях (Олпр), подготовку домашнего задания (Окол),
написание реферата (Ореф), написаник контрольной работы (Окр) и формируется по
следующему правилу:
НО=0,1Олпр+0,3Окол+0,3Ореф+0,3Окр
Каждая из оценок (О) оценивается от 0 до 10.
Итоговый зачет (ИЭ) (максимум 10 баллов): в устной форме
Итоговая оценка (ИО) (максимум 10 баллов) по курсу определяется с учетом
накопленной оценки (с весом 0,7) и оценки за зачет в конце курса (с весом 0,3) по
следующей формуле:
ИО=0,7*НО + 0,3*ИЭ
Зачет является обязательным, независимо от накопленной за учебный год
оценки. Студент, не явившийся на зачет без уважительной причины, или ответивший на вопросы на неудовлетворительную оценку (от 1 до 3 баллов), получает неудовлетворительную оценку за курс в целом.
Пересдача по курсу (П) (первая, вторая) представляет собой письменную работу, за которую выставляется оценка (максимум 10 баллов).
Итоговая оценка по курсу после пересдачи (ИОП) (первой, второй) определяется с учетом накопленной оценки (с весом 0,6) и оценки за пересдачу (с весом
0,4) по следующей формуле:
ИОП=0,6*НО + 0,4*П
Все округления производятся в соответствии с общими математическими
правилами.
Оценки за курс определяются по пятибалльной и десятибалльной шкале.
5
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Количество
набранных баллов
9,5-10
8,5-9,4
7,5-8,4
6,5-7,4
5,5-6,4
4,5-5,4
3,5-4,4
2,5-3,4
1,5-2,4
0–1,4
Оценка по десятибалльной шкале
Оценка по пятибалльной шкале
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
отлично
отлично
отлично
хорошо
хорошо
удовлетворительно
удовлетворительно
неудовлетворительно
неудовлетворительно
неудовлетворительно
Критерии оценки знаний, навыков
Активность на практических занятиях оценивается по следующим критериям:



Ответы на вопросы, предлагаемые преподавателем;
Решение задач у доски;
Участие в дискуссии по предложенной тематике.
Коллоквиум: требование – полнота ответов и аргументация при собеседовании.
Реферат: требования к реферату изложены в отдельном разделе программы
(см. ниже). Реферат оценивается по следующим критериям:

полнота раскрытия темы;

аргументация, четкость и понятность выводов;

аккуратность в оформлении работы, стиль изложения.
Контрольная работа: требования изложены ниже.
Зачет проводится в конце курса в присутствии преподавателя. Зачет прово-
6
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
дится в форме устных ответов на два вопроса с учетом материала, пройденного на
лекционных и на практических занятиях. Использование каких-либо текстов, калькуляторов, телефонов и др. средств связи во время зачета запрещается. Время, отводимое на зачет – 15 минут на подготовку и 5 минут на ответ.
Структура и содержание дисциплины
1. Структура дисциплины
Раздел 1. Введение. Общие представления о наноразмерных системах. Роль
поверхности в таких системах. Основные понятия и определения
Раздел 2. Поверхностные свойства однокомпонентных двухфазных систем.
Термодинамические свойства поверхности в однокомпонентных системах.
Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение). Термодинамика поверхности. Поверхностная энергия и межмолекулярные взаимодействия
в однокомпонентных системах. Методы определения поверхностного натяжения
жидкостей и поверхностной энергии твердых тел. Возможности и ограничения методов.
Раздел 3. Поверхности раздела между конденсированными фазами в
двухкомпонентных системах.
Граница раздела жидкость – жидкость. Межфазное натяжение на границе
жидкость – жидкость. Правило Антонова. Влияние температуры на поверхностное
натяжение границ раздела между конденсированными фазами и критические температуры смешения жидкостей. Адгезия. Связь энергии границы раздела с характером взаимодействия молекул образующих систему компонентов. Константа Гамакера. Дисперсионная и недисперсионная составляющая поверхностной энергии.
Свободная поверхностная энергия границы раздела конденсированных фаз.
7
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Раздел 4. Дисперсность и термодинамические свойства тел.
Дисперсность как самостоятельный термодинамический параметр системы.
Масштабные эффекты в дисперсных системах – зависимость свойств от размера
частиц. Правило фаз Гиббса для дисперсных систем. Уравнение Лапласа. Поверхностное натяжение в дисперсных системах. Поверхностная энергия и равновесные
формы тел. Капиллярные явления как проявление масштабных эффектов. Уравнение Жюрена. Капиллярная постоянная жидкости. Капиллярная длина. Течение
жидкостей в капиллярах и в пористых телах. Зависимость термодинамической реакционной способности от дисперсности. Влияние дисперсности на температуры
фазовых переходов (плавления и испарения). Температуры плавления в нанодисперсных системах. Анизотропия поверхностного натяжения. Структура поверхности кристаллов. Явления на поверхности кристаллов при повышении температуры.
Реконструкция поверхности. Огрубление поверхности. Плавление поверхности.
Поверхностная сегрегация в твердых телах.
Влияние дисперсности на физические свойства. Влияние размера частиц на
теплоемкость. Зависимость механических свойств дисперсных систем от размеров
частиц. Высокопрочные материалы на основе наноразмерных частиц. Пластичность наноразмерных дисперсных материалов. Магнитные свойства наночастиц.
Влияние размеров на положение температуры Кюри, коэрцитивную силу, магнитную анизотропию.
Раздел 5. Адсорбционные явления.
Основы термодинамики адсорбции. Уравнение Гиббса. Адсорбция как самопроизвольный процесс, приводящий к различию в концентрациях компонентов в
поверхностном слое и в фазе. Положительная адсорбция, поверхностно-активные
вещества. Отрицательная адсорбция, поверхностно-инактивные вещества, поверхностно-неактивные вещества. Классификация Адамсона типов поверхностных пле-
8
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
нок. Строение и свойства адсорбционных слоев. Пленки Ленгмюра-Блоджетт, их
получение, свойства и применение.
Адсорбция на границе раздела твердое тело – газ. Физическая и химическая
адсорбция. Теоретическое описание адсорбции на ровной поверхности. Изотерма
адсорбции
Генри. Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Теория Бру-
науэра-Эммета-Теллера (БЭТ). Фазовые переходы в адсорбционных слоях. Реконструкция поверхности под действием адсорбатов. Адсорбция на металлах. Адсорбция на полупроводниках. Пористая структура твердого тела и механизм заполнения пор. Параметры пористой структуры твердого тела: удельная поверхность,
суммарный объем пор, радиус пор, методы их определения.
Раздел 6. Образование дисперсных систем.
Диспергирование. Работа диспергирования. Процессы диспергирования в
природе, технике и технологии. Конденсационные методы получения дисперсных
систем. Термодинамика конденсационного образования дисперсных систем. Роль
пересыщения исходной системы. Влияние размера зародыша новой фазы на термодинамические параметры конденсации. Критический радиус зародыша, его связь с
переохлаждением системы. Кинетика образования новой фазы. Две стадии процесса: образование центров конденсации и их рост. Влияние пересыщения и переохлаждения на стадии процесса. Изменение скоростей образования и роста зародышей как способ управления степенью дисперсности. Использование конденсационных методов в нанотехнологиях. Методы физической конденсации. Двухстадийные физические методы для получения наночастиц. Метод молекулярных пучков. Аэрозольный метод. Плазменные методы. Золь-гель метод. Химические конденсационные методы.
9
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
2. План проведения лекционных занятий.
№ лекции
1.
Содержание лекции
Введение. Общие представления о наноразмерных системах. Роль поверхности в таких системах. Основные понятия и определения.
2.
Термодинамические свойства поверхности в однокомпонентных системах. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение). Термодинамика поверхности. Поверхностная энергия и межмолекулярные взаимодействия в однокомпонентных системах.
3.
Методы определения поверхностного натяжения жидкостей и поверхностной энергии твердых тел. Возможности и ограничения методов.
4.
Граница раздела жидкость – жидкость. Межфазное натяжение на границе жидкость – жидкость. Правило Антонова. Влияние температуры на
поверхностное натяжение границ раздела между конденсированными
фазами и критические температуры смешения жидкостей.
5.
Адгезия. Связь энергии границы раздела с характером взаимодействия
молекул образующих систему компонентов. Константа Гамакера. Дисперсионная и недисперсионная составляющая поверхностной энергии.
Свободная поверхностная энергия границы раздела конденсированных
фаз.
6.
Дисперсность как самостоятельный термодинамический параметр системы. Масштабные эффекты в дисперсных системах – зависимость
свойств от размера частиц. Правило фаз Гиббса для дисперсных систем.
Уравнение Лапласа.
10
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
7.
Поверхностное натяжение в дисперсных системах. Поверхностная энергия и равновесные формы тел. Капиллярные явления как проявление
масштабных эффектов. Уравнение Жюрена. Капиллярная постоянная
жидкости. Капиллярная длина. Течение жидкостей в капиллярах и в пористых телах.
8.
Зависимость термодинамической реакционной способности от дисперсности. Влияние дисперсности на температуры фазовых переходов (плавления и испарения). Температуры плавления в нанодисперсных системах. Анизотропия поверхностного натяжения.
9.
Структура поверхности кристаллов. Явления на поверхности кристаллов
при повышении температуры. Реконструкция поверхности. Огрубление
поверхности. Плавление поверхности. Поверхностная сегрегация в твердых телах.
10.
Зависимость механических свойств дисперсных систем от размеров частиц. Высокопрочные материалы на основе наноразмерных частиц. Пластичность наноразмерных дисперсных материалов. Магнитные свойства
наночастиц. Влияние размеров на положение температуры Кюри, коэрцитивную силу, магнитную анизотропию.
11.
Основы термодинамики адсорбции. Уравнение Гиббса. Адсорбция как
самопроизвольный процесс, приводящий к различию в концентрациях
компонентов в поверхностном слое и в фазе.
12.
Положительная адсорбция, поверхностно-активные вещества. Отрицательная адсорбция, поверхностно-инактивные вещества, поверхностнонеактивные вещества. Классификация Адамсона типов поверхностных
пленок. Строение и свойства адсорбционных слоев. Пленки ЛенгмюраБлоджетт, их получение, свойства и применение.
11
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
13.
Адсорбция на границе раздела твердое тело – газ. Физическая и химическая адсорбция. Теоретическое описание адсорбции на ровной поверхности. Изотерма адсорбции
Генри. Теория мономолекулярной адсорб-
ции Ленгмюра. Теория Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ).
14.
Фазовые переходы в адсорбционных слоях. Реконструкция поверхности
под действием адсорбатов. Адсорбция на металлах. Адсорбция на полупроводниках. Пористая структура твердого тела и механизм заполнения
пор. Параметры пористой структуры твердого тела: удельная поверхность, суммарный объем пор, радиус пор, методы их определения.
15.
Диспергирование. Работа диспергирования. Процессы диспергирования
в природе, технике и технологии. Конденсационные методы получения
дисперсных систем. Термодинамика конденсационного образования
дисперсных систем. Роль пересыщения исходной системы.
16.
Влияние размера зародыша новой фазы на термодинамические параметры конденсации. Критический радиус зародыша, его связь с переохлаждением системы. Кинетика образования новой фазы. Две стадии процесса: образование центров конденсации и их рост. Влияние пересыщения и переохлаждения на стадии процесса. Изменение скоростей образования и роста зародышей как способ управления степенью дисперсности.
17.
Использование конденсационных методов в нанотехнологиях. Методы
физической конденсации. Двухстадийные физические методы для получения наночастиц.
18.
Метод молекулярных пучков. Аэрозольный метод. Плазменные методы.
Золь-гель метод. Химические конденсационные методы.
12
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
3. Лабораторный практикум.
№№
п/п
1.
№
раздела Наименование лабораторных работ
дисциплины
5
Определение величин адсорбции газов на поверхности
вольфрама методом температурной вспышки
2.
5
Изучение изотермической кинетики поглощения молекулярного водорода пористым геттером на основе
титана методом термогравиметрии
3.
5
Изучение неизотермической кинетики поглощения
молекулярного водорода пористым геттером на основе
титана методом термогравиметрии
4. Практические занятия.
Раздел 2. (6 часов) Методы определения поверхностного натяжения жидкостей и поверхностной энергии твердых тел. Возможности и ограничения методов.
Раздел 3. (8 часов) Граница раздела жидкость – жидкость. Межфазное натяжение на границе жидкость – жидкость. Адгезия. Связь энергии границы раздела с
характером взаимодействия молекул образующих систему компонентов.
Раздел 4. (4 часа) Зависимость термодинамической реакционной способности от дисперсности. Влияние дисперсности на температуры фазовых переходов
(плавления и испарения). Анизотропия поверхностного натяжения. Структура поверхности кристаллов. Явления на поверхности кристаллов при повышении температуры. Реконструкция поверхности. Огрубление поверхности. Плавление поверхности. Поверхностная сегрегация в твердых телах.
13
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Рекомендуемая литература
Основная:
1.
Суздалев
И.П.
Нанотехнология.
Физико-химия
нанокласте-
ров,наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006.
2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2009.
3. Хофман Р. Строение твердых тел и поверхностей. - М.: Мир, 1990. - 216 с.
Дополнительная:
1. Зенгуил Э. Физика поверхности. - М.: Мир, 1990.
2. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А. и др. Введение в физику поверхности.
- М.: Наука, 2006. - 490 с.
3. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. М.: Издательский Дом «Интеллект», 2008. - 568 с.
Оценочные средства для контроля и аттестации студента: практические занятия
На практических занятиях студенты расширяют свои знания по тематикам 2,
3 и 4 разделов дисциплины.
Оценочные средства для контроля и аттестации студента: реферат
Требования к реферату:
Реферат выполняется в печатной форме. Объем – до 15 страниц текста плюс
приложения (таблицы, графики, фотографии), выполненных 12 кеглем с интервалом 1,5. Срок сдачи реферата – не позднее 31 октября. Реферат должен содержать
разделы: титульный лист, введение, основную часть, в которой производится анализ темы и делаются выводы, заключение, использованные источники информации
(не менее 10), содержание.
Примерные темы реферата:
14
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
1. Граница раздела газ-жидкость.
2. Граница раздела газ-твердое тело.
3. Граница раздела жидкость-твердое тело.
4. Масштабные эффекты в дисперсных системах.
5. Капиллярные явления.
6. Структура поверхности кристаллов.
7. Диспергирование.
8. Конденсационные методы в нанотехнологиях.
Оценочные средства контроля и аттестации студента: контрольная работа
Контрольная работа выполняется в письменном виде, в форме теста.
Сроки проведения: 15 - 20 апреля. Время проведения – 20 минут.
Примерные вопросы, выносимые на контрольную работу:
Термодинамические свойства поверхности в однокомпонентных системах.
Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение).
Термодинамика поверхности.
Поверхностная энергия и межмолекулярные взаимодействия в однокомпонентных системах.
Методы определения поверхностного натяжения жидкостей и поверхностной энергии твердых тел. Возможности и ограничения методов.
Граница раздела жидкость – жидкость.
Межфазное натяжение на границе жидкость – жидкость.
Правило Антонова.
Влияние температуры на поверхностное натяжение границ раздела между
конденсированными фазами и критические температуры смешения жидкостей.
Адгезия.
15
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Связь энергии границы раздела с характером взаимодействия молекул образующих систему компонентов.
Константа Гамакера.
Дисперсионная и недисперсионная составляющая поверхностной энергии.
Свободная поверхностная энергия границы раздела конденсированных фаз.
Оценочные средства контроля и аттестации студента: коллоквиум
Коллоквиум проводится в форме собеседования. Продолжительность –
20 минут на одного студента.
Примерные вопросы, выносимые на коллоквиум:
Дисперсность как самостоятельный термодинамический параметр системы.
Масштабные эффекты в дисперсных системах – зависимость свойств от
размера частиц.
Правило фаз Гиббса для дисперсных систем.
Уравнение Лапласа.
Поверхностное натяжение в дисперсных системах.
Поверхностная энергия и равновесные формы тел.
Капиллярные явления как проявление масштабных эффектов.
Уравнение Жюрена.
Капиллярная постоянная жидкости.
Капиллярная длина.
Течение жидкостей в капиллярах и в пористых телах.
Зависимость термодинамической реакционной способности от дисперсности.
Влияние дисперсности на температуры фазовых переходов (плавления и испарения).
Температуры плавления в нанодисперсных системах.
Анизотропия поверхностного натяжения.
Структура поверхности кристаллов.
16
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Явления на поверхности кристаллов при повышении температуры.
Реконструкция поверхности.
Огрубление поверхности.
Плавление поверхности.
Поверхностная сегрегация в твердых телах.
Влияние дисперсности на физические свойства.
Влияние размера частиц на теплоемкость.
Зависимость механических свойств дисперсных систем от размеров частиц.
Высокопрочные материалы на основе наноразмерных частиц.
Пластичность наноразмерных дисперсных материалов.
Магнитные свойства наночастиц.
Влияние размеров на положение температуры Кюри, коэрцитивную силу,
магнитную анизотропию.
Оценочные средства контроля и аттестации студента:
вопросы для оценки качества освоения дисциплины
Общие представления о наноразмерных системах.
Роль поверхности в наноразмерных системах.
Термодинамические свойства поверхности в однокомпонентных системах.
Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение).
Термодинамика поверхности.
Поверхностная энергия и межмолекулярные взаимодействия в однокомпонентных системах.
Методы определения поверхностного натяжения жидкостей и поверхностной энергии твердых тел. Возможности и ограничения методов.
Граница раздела жидкость – жидкость.
Межфазное натяжение на границе жидкость – жидкость.
Правило Антонова.
17
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Влияние температуры на поверхностное натяжение границ раздела между
конденсированными фазами и критические температуры смешения жидкостей.
Адгезия.
Связь энергии границы раздела с характером взаимодействия молекул образующих систему компонентов.
Константа Гамакера.
Дисперсионная и недисперсионная составляющая поверхностной энергии.
Свободная поверхностная энергия границы раздела конденсированных фаз.
Дисперсность как самостоятельный термодинамический параметр системы.
Масштабные эффекты в дисперсных системах – зависимость свойств от
размера частиц.
Правило фаз Гиббса для дисперсных систем.
Уравнение Лапласа.
Поверхностное натяжение в дисперсных системах.
Поверхностная энергия и равновесные формы тел.
Капиллярные явления как проявление масштабных эффектов.
Уравнение Жюрена.
Капиллярная постоянная жидкости.
Капиллярная длина.
Течение жидкостей в капиллярах и в пористых телах.
Зависимость термодинамической реакционной способности от дисперсности.
Влияние дисперсности на температуры фазовых переходов (плавления и испарения).
Температуры плавления в нанодисперсных системах.
Анизотропия поверхностного натяжения.
Структура поверхности кристаллов.
Явления на поверхности кристаллов при повышении температуры.
Реконструкция поверхности.
Огрубление поверхности.
18
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Плавление поверхности.
Поверхностная сегрегация в твердых телах.
Влияние дисперсности на физические свойства.
Влияние размера частиц на теплоемкость.
Зависимость механических свойств дисперсных систем от размеров частиц.
Высокопрочные материалы на основе наноразмерных частиц.
Пластичность наноразмерных дисперсных материалов.
Магнитные свойства наночастиц.
Влияние размеров на положение температуры Кюри, коэрцитивную силу,
магнитную анизотропию.
Основы термодинамики адсорбции.
Уравнение Гиббса.
Адсорбция как самопроизвольный процесс, приводящий к различию в концентрациях компонентов в поверхностном слое и в фазе.
Положительная адсорбция, поверхностно-активные вещества.
Отрицательная адсорбция, поверхностно-инактивные вещества, поверхностно-неактивные вещества.
Классификация Адамсона типов поверхностных пленок.
Строение и свойства адсорбционных слоев.
Пленки Ленгмюра-Блоджетт, их получение, свойства и применение.
Адсорбция на границе раздела твердое тело – газ.
Физическая и химическая адсорбция.
Теоретическое описание адсорбции на ровной поверхности.
Изотерма адсорбции Генри.
Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра.
Теория Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ).
Фазовые переходы в адсорбционных слоях.
Реконструкция поверхности под действием адсорбатов.
Адсорбция на металлах.
19
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электрофизические и оптические свойства материалов для микросистемной техники» для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра специализации «Материалы микро- и наносистемной техники»
Адсорбция на полупроводниках.
Пористая структура твердого тела и механизм заполнения пор.
Параметры пористой структуры твердого тела: удельная поверхность, суммарный объем пор, радиус пор, методы их определения.
Диспергирование.
Работа диспергирования.
Процессы диспергирования в природе, технике и технологии.
Конденсационные методы получения дисперсных систем.
Термодинамика конденсационного образования дисперсных систем.
Роль пересыщения исходной системы.
Влияние размера зародыша новой фазы на термодинамические параметры
конденсации.
Критический радиус зародыша, его связь с переохлаждением системы.
Кинетика образования новой фазы.
Две стадии процесса: образование центров конденсации и их рост.
Влияние пересыщения и переохлаждения на стадии процесса.
Изменение скоростей образования и роста зародышей как способ управления
степенью дисперсности.
Использование конденсационных методов в нанотехнологиях.
Методы физической конденсации.
Двухстадийные физические методы для получения наночастиц.
Метод молекулярных пучков.
Аэрозольный метод.
Плазменные методы.
Золь-гель метод.
Химические конденсационные методы.
Автор программы: __________________ (Костин К.А.)
20