Пучково-плазменная техника и технологии

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Волосникова Л.М./
__________ _____________ 201__г.
ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИ
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для студентов специальности
140402.65 «Теплофизика»,
очная форма обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы _____________________________/Кислицын А.А./
«______»___________201_ г.
Рассмотрено на заседании кафедры микро- и нанотехнологий
«___» __________ 201__ г., протокол № ____.
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем ___ стр.
Зав. кафедрой ___________________/ Кислицын А.А./
«______»___________ 201__ г.
Рассмотрено на заседании УМК ИФиХ «___»______201__ г., протокол № __.
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/Креков С.А./
«______»_____________201__г.
«СОГЛАСОВАНО»:
И.о директора ИБЦ_______________________/Ульянова Е.А.
«______»_____________201__г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/Фарафонова И.Ю.
«______»_____________201__г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт физики и химии
Кафедра микро- и нанотехнологий
КИСЛИЦЫН А.А.
ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИ
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для студентов специальности
140402.65 «Теплофизика»
(очная форма обучения)
Тюменского государственного университета
2013
Кислицын А.А. Пучково-плазменная техника и технологии. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности
140402.65 «Теплофизика»; очная форма обучения. Тюмень, 2013, 12 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ГОС.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Пучково-плазменная техника и технологии [электронный ресурс] /
Режим доступа: http://www.umk.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой микро- и нанотехнологий. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой микро-и нанотехнологий, д.ф.-м.н., профессор Кислицын А.А.
© Тюменский государственный университет, 2013.
© Кислицын А.А., 2013.
1.
Пояснительная записка
Цель дисциплины – дать студентам достаточно глубокие знания по
данной технической науке, изучающей комплекс способов обработки материалов энергетическими потоками электронов, ионов плазмы и нейтральных
атомов, поскольку эти технологии нашли самое широкое применение в современной промышленности.
Задачи учебного курса

изучить физические основы взаимодействия ускоренных электронов
и ионов с веществом; технологические особенности различных видов термической обработки с электронным нагревом материалов; электронно-зондовые
методы анализа вещества; технологию ионного распыления для нанесения
пленочных покрытий и ионно-плазменного травления микроструктур, вторичную ионную масс-спектроскопию (ВИМС), ионное легирование материалов, пучково-плазменные методы нанесения пленочных покрытий.
1.2 Место дисциплины в структуре ООП.
Дисциплина «Пучково-плазменная техника и технологии» – это дисциплина, которая входит в профильную (вариативную) часть профессионального цикла.
Для ее успешного изучения необходимы знания и умения, приобретенные (или приобретаемые параллельно) в результате освоения предшествующих дисциплин: «общая физика», «химия», «математический анализ»,
«дифференциальные уравнения», «теория функции комплексной переменной», «электротехника», «радиоэлектроника», «физика плазмы», «физикохимические процессы в нанотехнологиях», «электронная и ионная оптика»,
«вакуумная техника и технологии».
Освоение дисциплины «Пучково-плазменные технологии для конструкционных наноматериалов» необходимо для подготовки и написания
выпускной квалификационной работы.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
 области применения пучково-плазменных технологий;
 технологические процессы с электронным нагревом вещества;
 физические принципы и оборудование растровой электронной микроскопии, оже-спектроскопии и рентгеноспектрального анализа;
 технологию и оборудование ионного распылении для травления микроструктур;
 методы ВИМС;
 физические основы и технологию ионного легирования;
 технологию получения пленочных покрытий из сепарированных ионных пучков и вакуумно-дуговые методы нанесения пленочных покрытий;
Уметь:
 решать задачи по процессам, происходящим в веществе при облучении
электронными и ионными пучками;
 разрабатывать технологию обработки различных изделий с использованием пучково-плазменных методов;
 использовать на практике основные методы исследования и контроля с
использованием электронных и ионных пучков.
Владеть:
 навыками численного моделирования и проектирования нанотехнологических процессов, новых наноструктур и наноматериалов с заданными свойствами;
 навыками проектирования устройств и узлов электрофизического оборудования пучково-плазменных технологий;
 навыками создания наноструктурированных материалов, в том числе
многослойных, основными элементами которых являются наномасштабные структурные элементы или наночастицы;
 навыками создания наноструктурных твердых сплавов для режущего
инструмента, а также наноструктурных защитных термо- и коррозионностойких покрытий;
 навыками формирования пучком тяжелых ионов нанометрического
размера различных 3D-наноструктур на поверхности и приповерхностном слое для наномеханики и наноробототехники.
2.Структура и трудоемкость дисциплины.
Данная дисциплина изучается в 8-ом семестре. Форма промежуточной аттестации – зачет, контрольная работа. Общая трудоемкость дисциплины составляет 85 часов (лекции – 14 ч., лабораторные занятия – 28ч., самостоятельная работа – 48 ч.).
Таблица 1.
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
Лекции
Практические занятия
Лабораторные работы
Самостоятельная работа (всего)
Вид итогового контроля
Общая трудоемкость дисциплины
Всего часов
42
14
28
48
90
3. Тематический план
2
3
4
5
Модуль 1
Термическая электроннолучевая обработка материалов
Электронно-зондовые методы анализа вещества
Итого за модуль 1
Модуль 2
Ионное распыление
Ионное легирование материалов
Итого за модуль 2
Модуль 3
Пучково-плазменные методы нанесения пленочных покрытий
Итого за модуль 3
Итого:
Итого количество баллов
самостоятельная
работа
1
2
5
6
7
8
9
3
5
8
16
0-10
3-6
2
6
10
18
0-20
6
5
11
18
34
0-30
7-9
1011
3
4
10
17
0-20
3
8
10
21
0-10
6
12
20
38
0-30
3
5
10
18
0-40
3
5
10
18
14
28
48
90
0-40
0100
лекции
1
недели семестра
Тема
лабораторные
занятия
виды учебной работы и
самостоятельная работа,
в час.
семинарские
(практические)
занятия
№
Итого часов по теме
Таблица 2.
3
4
1-2
1214
Таблица 3.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
№ темы
УстПисьменные работы
Итого
ные
колирабочество
ты
баллов
контрольная
работа
Выполнение
домашнего задания
0-5
0-5
0-10
0-10
0-10
0-20
0-15
0-15
0-30
0-10
0-5
0-10
0-5
0-20
0-10
0-15
0-15
0-30
0-10
0-20
0-10
0-40
0-10
0-10
0-20
0-50
0-10
0-40
0-40
0–
100
Собеседование
Модуль 1.
1. Термическая электроннолучевая обработка материалов
2. Электронно-зондовые методы анализа вещества
Всего
Модуль 2.
3. Ионное распыление
4. Ионное легирование материалов
Всего
Модуль 3.
5. Пучково-плазменные методы
нанесения пленочных покрытий
Всего
Итого
Таблица 4.
Планирование самостоятельной работы студентов
№
Темы
Виды СРС
Неделя
обязательдополнисеные
тельные
местра
Модуль 1
1 Термическая
элек- 1. Работа с
Докладтронно-лучевая обра- учебной ли- презентация
ботка материалов
тературой.
по разделу
2. Выполнение домашнего задания
3. Проработка лекций
2 Электронно-зондовые 1. Работа с
Докладметоды анализа веще- учебной ли- презентация
ства
тературой.
по разделу
2. Выполнение домашнего задания
Объем
часов
8
10
3. Проработка лекций
3
4
5
Всего
Модуль 2
Ионное распыление
18
1. Работа с
учебной литературой.
2. Выполнение домашнего задания
3. Проработка лекций
Ионное легирование 1. Работа с
материалов
учебной литературой.
2. Выполнение домашнего задания
3. Проработка лекций
Всего
Модуль 3
Пучково-плазменные 1. Работа с
методы
нанесения учебной липленочных покрытий тературой.
2. Выполнение домашнего задания
3. Проработка лекций
Всего
ИТОГО:
Докладпрезентация
по разделу
7-12
10
Докладпрезентация
по разделу
13-16
10
20
Докладпрезентация
по разделу
17-18
10
10
48
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
Освоение дисциплины «Пучково-плазменные технологии для конструкционных наноматериалов» необходимо для подготовки и написания
выпускной квалификационной работы.
4.
5.
Содержание дисциплины.
Модуль 1
Тема 1. Термическая электронно-лучевая обработка материалов. Рассматриваются физические основы взаимодействия ускоренных электронов с
веществом, тепловые эффекты при электронно-лучевом нагреве, технологическое оборудование для термических процессов в электронной технологии.
Тема 2. Электронно-зондовые методы анализа вещества. Изучаются электронно-зондовые методы анализа вещества, методы электронной растровой и
просвечивающей микроскопии, оже-спектроскопии и рентегеноструктурного
микроанализа.
Модуль 2
Тема 3. Ионное распыление. Рассматриваются физические основы ионного
распыления материалов, физические основы ионно-плазменного травления
микроструктур, и вторично-ионная масс-спектроскопия.
Тема 4. Ионное легирование материалов. Рассматриваются физические
основы и технология ионного легирования материалов, создание принципиально новых соединений на поверхности и приповерхностном слое металлов
и сплавов
Модуль 3
Тема 5. Пучково-плазменные методы нанесения пленочных покрытий.
Рассматриваются пучково-плазменные методы нанесения пленочных покрытий, в том числе из сепарированных ионных пучков, и вакуумно-дуговые методы из плазмы материалов электродов.
6.
Планы лабораторных занятий.
Лабораторная работа №1. Ионное распыление.
Технологическое оборудования ионного распыления
Ионно-плазменное травление микро- и наноструктур
Вторично-ионная масс-спектроскопия
Лабораторная работа №2. Ионное легирование материалов.
Физические основы технологии ионного легирования
Оборудование, используемое в технологиях ионного легирования
Наноструктурирование приповерхностного слоя пучково-плазменными методами и формирование в нем принципиально новых соединений с заданными свойствами
Лабораторная работа №3 Пучково-плазменные методы нанесения пленочных покрытий.
Процессы в катодном пятне вакуумной дуги
Оборудование и технология получение пленочных покрытий из сепарированных ионных пучков
Вакуумно-дуговые методы нанесения пленочных покрытий из плазмы материалов электродов
7. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).
7.1 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля)
Данной рабочей программой предусмотрена самостоятельная работа в
объеме 33 часа. В соответствии с Положением о самостоятельной работе студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет», под самостоятельной работой студентов (далее СРС) понимается «учебная, научноисследовательская и общественно-значимая деятельность студентов, направленная на развитие общих и профессиональных компетенций, которая осуществляется без непосредственного участия преподавателя, хотя и направляется им».
СРС проводится с целью формирования общекультурных и профессиональных компетенций, понимаемых как способность применять знания,
умения и личностные качества для успешной деятельности в определенной
области, в том числе:
 формирования умений по поиску и использованию справочной и
специальной литературы, а также других источников информации;
 качественного освоения и систематизации полученных теоретических знаний, их углубления и расширения по применению на уровне
межпредметных связей;
 формирования умения применять полученные знания на практике (в
профессиональной деятельности) и закрепления практических умений
студентов;
 развития познавательных способностей студентов, формирования
самостоятельности мышления;
 развития активности студентов, творческой инициативы, самостоятельности, ответственности и организованности;
 формирования способностей к саморазвитию (самопознанию, самоопределению, самообразованию, самосовершенствованию, самореализации, саморегуляции);
 развития научно-исследовательских навыков;
 развития навыков межличностных отношений.
Студентам предлагаются следующие формы СРС:
 изучение обязательной и дополнительной литературы;
 выполнение самостоятельных заданий;
 самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий;
 выполнение самостоятельных заданий на лабораторных занятиях;
 решение задач;
 подготовка ко всем видам контрольных испытаний, в том числе к текущему контролю успеваемости (в течение семестра), промежуточной аттестации (по окончании семестра);
 подготовка к итоговой государственной аттестации, в том числе подготовка к государственным экзаменам, выполнение выпускной квалификационной работы;
 подготовка к сдаче зачета.
Результаты СРС могут быть представлены в форме реферата по теме.
7.2 Типы заданий для самостоятельной работы (примерные)
1. Проработать лекции.
2. Работа с учебной литературой.
3. Решение задач.
4. Выполнение лабораторных работ.
5. Подготовить презентацию.
6. Подготовить доклад по предложенным темам.
При необходимости обратиться за консультацией к преподавателю.
7.3 Формы текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам
освоения дисциплины
В качестве форм текущей аттестации используются такие формы, как
проверка лабораторных работ, решение задач, устные опросы, проверка домашних заданий.
Промежуточный контроль имеет форму лабораторных работ, решение
задач, в которых оцениваются уровень овладения обучающимися знаниями
по предмету.
В соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет», во
время последней контрольной недели семестра преподаватель подводит итоги работы каждого студента и объявляет результаты студентам. Однако если
студент желает улучшить свой рейтинг по дисциплине, ему предоставляется
право набрать дополнительные баллы – пересдать лабораторные работы, решить задачи, выполнить дополнительные задания и т.п.
Поскольку дисциплина преподается в течение одного семестра, для выставления итоговой оценки на зачете выводится средний балл по дисциплине. В случае если средний балл составляет менее 61, студенту предоставляется право сдавать зачет, и оценка выставляется непосредственно по его
результатам.
Итоговый контроль (зачет) проводится в устно-письменной форме.
Зачет включает письменную часть – решение задач по теме. Устная часть зачета оценивает полученные знания по дисциплине путем собеседования с
преподавателем.
1.
2.
3.
7.4. Примерные контрольные вопросы к зачету
Для каких технологических операций в современном производстве используются пучково-плазменные методы обработки материалов?
Какими основными преимуществами обладает термическая электроннолучевая обработка материалов?
Что происходит в приповерхностном слое веществе при движении в нем
ускоренных электронов?
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Как определяется величина удельных энергетических потерь электронов
при взаимодействии с данным веществом?
Чем отличаются электронно-лучевые сканирующие системы от проекционных?
Как создается изображение поверхности в растровом электронном микроскопе?
Как создается топографический контраст изображения в растровой электронной микроскопии?
Как отличить оже-пики на кривой энергораспределения от пиков, соответствующих характеристическим потерям энергии первичных электронов?
Как определяется дисперсия энергоанализаторов оже-спектрометров?
Какие физические закономерности определяют рентгеноспектральный
микроанализ вещества?
Что определяет энергия сублимации материала?
Какие основные параметры определяют коэффициент ионного распыления?
Что определяют пятна Венера при ионном распылении монокристаллов?
Какие основные схемы установок для распыления ионной бомбардировкой используются в промышленном производстве и в чем их особенности?
Какими преимуществами обладают установки распыления магнетронного типа?
Какие виды сухого ионно-плазменного травления используются для получения субмикронных элементов при изготовлении изделий микроэлектроники и в чем их особенности?
В чем заключается физическая сущность метода вторичной ионной
масс-спектроскопии?
Чем отличается истинный траекторный пробег иона в веществе от проецированного?
Какими основными преимуществами обладает ионное легирование материалов по сравнению с другими методами?
В чем особенности основных типов установок ионно-лучевого легирования материалов?
Чем отличаются ионно-лучевые и вакуумно-дуговые методы получения
пленочных покрытий?
8.Образовательные технологии.
В соответствии с требованиями ГОС при реализации различных видов
учебной работы в процессе изучения дисциплины «Пучково-плазменная техника и технологии» предусматривается использование в учебном процессе
следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:
 лекции с использованием мультимедиа;
 работа в малых группах;
 мастер-классы экспертов.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
(модуля).
9.1. Основная литература:
1. Шмидберский П.А.Пучково-плазменные технологии для модификации конструкционных материалов и создания наноматериалов: учебное
пособие/ С. Ю. Удовиченко; С.-Петерб. гос. ун-т аэрокосм. приборостроения. - Санкт-Петербург: ГУАП, 2009. - 100 с
9.
9.2. Дополнительная литература:
1. Шмидберский П.А. Пучково-плазменная техника и технологии: учеб.метод. пособие/ П. А. Шмидберский; Тюм. гос. ун-т. - Тюмень: Изд-во
ТюмГУ, 2008. - 176 с.
2. Удовиченко С.Ю. Плазменные эмиссионные системы: [учебное пособие]/ В. Т. Барченко, С. Ю. Удовиченко; С.-Петерб. гос. электротехн.
ун-т "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). - Санкт-Петербург: Технолит, 2008. - 154 с
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
9.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
Электронная версия «Журнал Технической Физики» www.ioffe.ru/jtf.
Электронная версия «Успехи физических наук» www.ufn.ru.
Научная электронная библиотека www.elibrary.ru.
Электронная версия «Journal Nuclear of Science and Technology»
www.aesj.or.jp.
Электронная версия «Indian Journal of Science and Тechnology»
www.indjst.org.
Cornell University Library http://xxx.lanl.gov.
Journal of International Scientific Publications www.science-journals.eu.
Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины (модуля).
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, лаборатория пучково-плазменных технологий, учебно-научная лаборатория зондовой микроскопии.
3.
Дополнения и изменения в рабочей программе на 201 / 201 учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры
____________________ «
»_______________201 г.
Заведующий кафедрой ___________________/___________________/
Роспись
Ф.И.О.