mszm - Высшая школа экономики

Правительство Российской Федерации
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
«МЕТОДЫ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ
МИКРОСКОПИИ»
для направления 210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра
Автор программы: Костин К.А., к.ф.-м.н., доцент, [email protected]
Одобрена на заседании кафедры Микросистемная техника, материаловедение и технологии
«___»____________ 20 г
Зав. кафедрой __________________В.П.Кулагин
Рекомендована секцией УМС Нанотехнологии и микросистемная техника
«___»____________ 20 г
Председатель __________________
Утверждена УС факультета Электроники и телекоммуникаций «___»_____________20 г.
Ученый секретарь ________________________
Москва, 2012
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 «Методы сканирующей зондовой микроскопии» для направления
210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра
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 210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра.
Программа разработана в соответствии с:
 ФГОС ВПО для направления подготовки 210100.68 «Материалы для микро- и
наноэлектроники»;
 Образовательной программой для направления подготовки 210100.68 «Материалы
для микро- и наноэлектроники»;
 Рабочим учебным планом университета по направлению подготовки 210100.68
«Материалы для микро- и наноэлектроники», утвержденным в 2012 г.
Цели освоения дисциплины
Цель изучения - теоретическая и практическая подготовка магистра, владеющего
основами методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), имеющего представления
о возможностях методов для исследования характеристик поверхностей различных физических объектов, о современном состоянии СЗМ и тенденциях ее развития для использования в различных областях науки и техники, имеющего навыки работы на сканирующих
зондовых микроскопах, способного планировать исследования с применением СЗМ.
Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
- способностью совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный
уровень (ОК-1);
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Методы сканирующей зондовой микроскопии» для направления
210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра
- способностью к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2);
- способностью использовать результаты освоения фундаментальных и прикладных дисциплин ООП магистратуры (ПК-1);
- способностью самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности
новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ПК-4);
- способностью к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями ООП магистратуры) (ПК-5);
- готовностью формулировать цели и задачи научных исследований в соответствии с тенденциями и перспективами развития электроники и наноэлектроники, а также смежных
отраслей науки и техники, способностью обоснованно выбирать теоретические и экспериментальные методы и средства решения сформулированных задач (ПК-16);
- способностью к организации и проведению экспериментальных исследований с применением современных средств и методов (ПК-19).
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать: устройство и принцип работы сканирующих зондовых микроскопов, возможности
различных методик СЗМ для исследования поверхности твердых тел, способы выявления
и устранения артефактов;
уметь: формулировать задачи, возникающие в ходе научно-исследовательской деятельности, находить оптимальные пути их решения, выбирать необходимые методики СЗМ;
владеть: методами обработки и анализа получаемых данных СЗМ.
Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина является обязательной и входит в вариативную часть профессионального цикла магистерской программы «Материалы для микро- и наноэлектроники». Знания, умения и компетенции студента, необходимые для изучения данной дисциплины
формируются при изучении дисциплин: Физика, Математика, Информатика, Химия, Компьютерные технологии в научных исследованиях.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Методы сканирующей зондовой микроскопии» для направления
210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра
Тематический план учебной дисциплины
№
Название темы
Всего часов по
дисциплине
Аудиторные часы
Самостоятельная работа
Лекции Практич.
занятия
2
4
1 Физические основы сканирующей зондовой микроскопии
2 Основные методики и режимы
работы СЗМ
22
40
6
14
20
3 Детали устройства сканирующих
зондовых микроскопов
34
6
8
20
4 Условия эксплуатации СЗМ
1
1
5 Применение СЗМ для исследования шероховатости поверхности
твердых тел
47
3
28
16
144
18
54
72
Итого
16
Формы контроля знаний студентов
Тип контроля
Текущий
Промежуточный
Итоговый
Форма контроля
контроль активности на лекциях
и практических
занятиях
реферат, домашнее задание, коллоквиум
экзамен
Семестр
Параметры
В
ответы на вопросы, решение задач, участие в
дискуссиях
В
до 15 стр., шрифт Times New Roman, 1,5 интервала, ответы на вопросы
В
ответ в устной форме на вопросы экзаменационного билета
Порядок формирования оценок по дисциплине
текущий контроль предусматривает учет активности студентов в ходе проведения
лекций и практических занятий;
промежуточный контроль предусматривает написание одного реферата, выполнения домашнего задания, ответы на вопросы по изученному материалу на коллоквиуме;
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Методы сканирующей зондовой микроскопии» для направления
210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра
итоговый контроль проводится в форме устного экзамена (20 минут на подготовку
и 10 минут на ответ).
Итоговая оценка формируется как взвешенная сумма оценки, накопленной в течение курса, и оценки за экзамен.
Накопленная оценка (НО) (максимум 10 баллов) включает оценку за работу на лекциях и
практических занятиях (Олпр), подготовку домашнего задания (Одз), написание реферата
(Ореф) и формируется по следующему правилу:
НО=0,3Олпр+0,2Одз+0,5Ореф
Итоговый экзамен (ИЭ) (максимум 10 баллов): в устной форме
Итоговая оценка (ИО) (максимум 10 баллов) по курсу определяется с учетом накопленной оценки (с весом 0,6) и оценки за экзамен в конце курса (с весом 0,4) по следующей
формуле:
ИО=0,6*НО + 0,4*ИЭ
Экзамен является обязательным, независимо от накопленной за учебный год оценки. Студент, не явившийся на экзамен без уважительной причины, или ответивший на вопросы экзаменационного билета 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 0,4) и оценки за пересдачу (с весом 0,6) 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.
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
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Оценка по пятибалльной
шкале
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.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Методы сканирующей зондовой микроскопии» для направления
210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра
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.
Экзамен проходит в конце курса в присутствии преподавателя. Экзаменационный
билет содержит два вопроса с учетом материала, пройденного на лекционных и на практических занятиях. Ответ излагается устно в форме ответа на предложенные вопросы. Использование каких-либо текстов, калькуляторов, телефонов и др. средств связи запрещается. Время, отводимое на экзамен – 20 минут на подготовку и 10 минут на ответ.
Структура и содержание дисциплины
Раздел 1. Физические основы сканирующей зондовой микроскопии (22 часа)
1.1. Общая схема работы сканирующих зондовых микроскопов. Прохождение микрочастиц через потенциальный барьер. Туннельный ток. Силы взаимодействия в твердых
телах. Ван-дер-Ваальсовы силы, электростатическое и капиллярное взаимодействие.
1.2. Модель расчета туннельного тока из иглы на поверхность металла с хемисорбированным атомом кислорода на поверхности и разрешение прибора. Расчет сил взаимодействия в атомном силовом микроскопе и оценка разрешения.
1.3. Задача Герца о контакте двух тел.
Раздел 2. Основные методики и режимы работы СЗМ (40 часов)
2.1. Сканирующий туннельный микроскоп. Режимы работы СТМ. Сканирующая
туннельная спектроскопия. Атомные силовые микроскопы. Методы регистрации изгиба и
параметров колебаний зонда. Режимы работы АСМ. Латеральный силовой микроскоп.
2.2. Другие методики СЗМ. Электростатическая силовая микроскопия. Сканирующая емкостная спектроскопия. Сканирующая микроскопия ближней оптической зоны.
Микротермальный анализ. Силовая модуляционная спектроскопия. Микроскопия фазового детектирования. Атомные манипуляции и использование СЗМ в нанометрологии.
2.3. Применение АСМ для измерения распределения механических свойств поверхностных слоев материалов и тонких пленок. Модель, обосновывающая возможность
измерения механических свойств тонких пленок.
Раздел 3. Детали устройства сканирующих зондовых микроскопов (34 часа)
3.1. Сканер. Требования к сканерам. Конструкции сканеров. Нелинейности сканеров. Коррекция геометрических искажений сканеров. Тестирование сканеров.
3.2. Кантилеверы и иглы СЗМ. Форма иглы и разрешение. Изготовление игл кантилеверов. Изготовление игл для СТМ. Современное состояние технологий изготовления
сенсоров и тенденции развития СЗМ. Острия для АСМ для измерения механических
свойств тонких пленок.
3.3. Артефакты изображений. Восстановление истинных изображений.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Методы сканирующей зондовой микроскопии» для направления
210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра
Раздел 4. Условия эксплуатации СЗМ (1 час)
4.1 Условия эксплуатации СЗМ. Программное обеспечение. Первичная обработка
изображений. Фильтрация изображений. Манипуляции с зондом и вспомогательные средства.
Раздел 5. Применение СЗМ для исследования шероховатости поверхности
твердых тел (47 часов)
5.1. Исследование роста и огрубления тонких пленок. Концепция динамического
скейлинга. Методы оценки шероховатости поверхностей. Стандартные характеристики
поверхностной шероховатости твердых тел.
5.2. Фрактальная размерность. Методы определения фрактальной размерности реальных поверхностей.
Оценочные средства для контроля и аттестации студента: реферат
Требования к реферату:
Объем реферата – до 15 страниц текста плюс приложения (таблицы, графики, фотографии), выполненных 12 кеглем с интервалом 1,5. Срок сдачи реферата – не позднее 15 ноября. Реферат должен содержать разделы: титульный лист, введение, основную часть, в
которой производится анализ темы и делаются выводы, заключение, использованные источники информации (не менее 5), содержание.
Примерные темы реферата:
1. Сканирующая туннельная микроскопия.
2. Электросиловая микроскопия.
3. Магнитно-силовая микроскопия.
4. Ближнепольная оптическая микроскопия.
Оценочные средства контроля и аттестации студента:
примеры домашних заданий
1. Применение ионного селективного травления.
2. Молекулярное и атомарное манипулирование.
3. Термическая нанолитография.
4. Ближнепольная литография.
5. Электронно-лучевая СЗМ литография.
6. Перьевая нанолитография.
7. Локальное окидирование.
8. Массоперенос с помощью газовой среды.
9. Электрохимический массоперенос.
10. Формирование микропроводников в жидких диэлектриках.
11. Формирование молекулярных мостиков из адсорбата воздуха на подложках.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Методы сканирующей зондовой микроскопии» для направления
210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра
12. Межэлектродный массоперенос с нанометровым разрешением.
13. Локальная электродинамическая модификация поверхности подложек.
14. Локальная "глубинная" модификация полупроводниковых подложек в туннельном
микроскопе.
15. Бесконтактное формирование нанорельефа поверхности подложек. Контактное формирование нанорельефа поверхности подложек.
16. Физические эффекты в туннельно-зондовой нанотехнологии.
Оценочные средства контроля и аттестации студента:
вопросы для оценки качества освоения дисциплины
1. Принцип действия и основные блоки атомно-силового микроскопа.
2. Ход зависимости потенциала Ленарда-Джонса. Условия работы в контактной, бесконтактной и полуконтактной модах атомнос-силового микроскопа.
3. Кантилеверы – основные физические свойства, классификация, характеристики и технология получения.
4. Контактные методики исследования в атомно-силовой микроскопии. Основные принципы формирования изображения поверхности в АСМ.
5. Методики исследования в полуконтактном режиме работы АСМ.
6. Многопроходные методики АСМ. Магнитная силовая микроскопия.
7. Метод зонда Кельвина. Специфика определения работы выхода в методе зонда Кельвина.
8. Сканирующая емкостная микроскопия.
9. Электростатическая силовая микроскопия.
10. Формирование нанообъектов методом силовой АСМ -литографии.
11. Молекулярное и атомарное манипулирование в АСМ и СТМ.
12. Принцип действия и физические основы работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).
13. Аппаратурное обеспечение сканирующей туннельной микроскопии. Зонды для СТМ и
методы их заточки.
14. Основные режимы СТМ и факторы, влияющие на разрешение метода. Режим постоянного тока. Режим постоянной высоты.
15. Анализ поверхностных фаз в СТМ.
16. Спектроскопия адсорбированных частиц в СТМ.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Методы сканирующей зондовой микроскопии» для направления
210100.68 «Материалы для микро- и наноэлектроники» подготовки магистра
17. Физические эффекты, возникающие в СТМ за счет малого радиуса закругления острия
зондового датчика.
18. Контактное формирование нанорельефа поверхности подложек. Точечная контактная
модификация и выглаживание поверхности металлов игольчатым электродом.
19. Бесконтактное формирование нанорельефа поверхности подложек.
Автор программы: __________________ /Костин К.А./