Материалы и методы нанотехнологий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физический факультет
Кафедра радиофизики, полупроводниковой микро- и наноэлектроники
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
______________В.П. ГАРЬКИН
«____»_______________ 2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Образовательная программа направления 011200.68 – Физика
(цикл М2. «Профессиональный», вариативная часть, дисциплины по выбору)
Профиль подготовки
«Физика полупроводников. Наноэлектроника»
Квалификация выпускника
Магистр
Форма обучения
Очная
Курс 1, семестр А
Самара
2012
Рабочая программа составлена на основании федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования направления (специальности) 011200 ФИЗИКА (квалификация (степень) «МАГИСТР»), утвержденного приказом
Министерства образования и науки Российской Федерации от « 18 » ноября 2009 г. №
637.
Составитель программы:
Н.В. Латухина, к. т. н., доцент кафедры радиофизики и полупроводниковой микро- и
наноэлектроники
Рецензент: Крутов А.Ф., д.ф.-м.н., профессор кафедры общей и теоретической физики
Программа утверждена на заседании кафедры радиофизики и полупроводниковой микрои наноэлектроники (протокол № _____ от «____» _____________ 20____ г.)
Заведующий кафедрой
«____» ____________ 2012 г.
_________________
Г.П. ЯРОВОЙ
________________
И.С. ЦИРОВА
_________________
В.В. ИВАХНИК
_______________
Н.В. СОЛОВОВА
СОГЛАСОВАНО
Председатель
методической
комиссии факультета
«___»_____________ 2012 г.
СОГЛАСОВАНО
Декан
Факультета
«____» ____________ 2012 г.
СОГЛАСОВАНО
Начальник
методического отдела
«___»_____________ 2012 г.
2
1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе, требования к уровню освоения содержания дисциплины
1.1. Цели и задачи изучения дисциплины
Цель дисциплины – изучение основных типов наноматериалов и наноструктур и
основных методов исследования наноразмерных объектов, формирование у студентов
знаний и умений, позволяющих проводить информационный поиск в рамках поставленной научно-исследовательской задачи, планировать и осуществлять экспериментальные и
теоретические исследования в области нанотехнологий.
Задачи дисциплины:
 дать представление о структуре и тенденциях развития современных нанотехнологий;
 описать основные типы наноматериалов и наноструктур, рассмотреть физические явления, обуславливающие их особые свойства;
 проанализировать современные технологии изготовления и исследования наноматериалов и наноструктур;
 рассмотреть физические явления, лежащие в основе методов исследования
наноразмерных объектов
1.2. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля)
В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен
Иметь представление:
 о структуре и тенденциях развития современных нанотехнологий
 о принципах, лежащих в основе технологий изготовления и методов исследования наноматериалов и наноструктур.
 о возможностях и проблемах современных нанотехнологий.
Знать:
 физические явления, обуславливающие особые свойства наноматериалов, и физические законы, их описывающие.
 основные принципы работы технологических установок, их параметры и характеристики.
 основные методы исследования наноразмерных объектов.
Уметь:
 проводить информационный поиск
в рамках поставленной научноисследовательской задачи, планировать и осуществлять экспериментальные и
теоретические исследования наноразмерных объектов.
владеть компетенциями:
Код
компет
енции
ОК-1
ОК-3
Наименование результата обучения
способностью демонстрировать углубленные знания в области математики
и естественных наук
способностью 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 мировоз3
Код
компет
енции
Наименование результата обучения
зрение
ОК-10
способен использовать базовые знания и навыки управления информацией
для решения исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты
государственной тайны
ОК-12
способностью выполнить оценку и анализ научно-технической разработки,
в т.ч. мировой новизны и промышленной применяемости
способностью свободно владеть фундаментальными разделами физики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач
способностью использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности
способностью самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области физики и решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования, информационных технологий с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта
способностью овладеть знаниями основных методов создания и исследования полупроводниковых наноматералов и наноструктур
способностью владеть профессиональными знаниями о структуре и тенденциях развития современных нанотехнологий
Способен владеть знаниями физических принципов, лежащих в основе процессов, происходящих в наноструктурах, и наноэлектронных приборов
ПК-1
ПК-2
ПК-3
ПК-19
ПК-20
ПК-21
1.3. Место дисциплины в структуре ООП
Для усвоения данного курса требуется владение операциями дифференцирования,
интегрирования, основными операциями векторного анализа, методами решения простых
обыкновенных дифференциальных уравнений.
Студент должен владеть основными методами и представлениями квантовой механики, термодинамики, электродинамики, физики твердого тела, знать основные понятия и
законы физики конденсированного состояния вещества, кристаллографии, физики полупроводниковых приборов, технологии материалов электронной техники.
Знания и умения, полученные при изучении курса «Основы технологии низкоразмерных систем», могут быть использованы студентами при работе над магистерской выпускной работой и в последующей научно-исследовательской работе.
2. Содержание дисциплины
2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Семестр А, вид отчетности – зачет.
Вид учебной работы
Трудоемкость изучения дисциплины
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего)
Объем часов/ зачетных единиц
108/3
54
4
в том числе:
лекции
18
практические занятия
24
контроль самостоятельной работы студентов
12
Самостоятельная работа студента (всего)
54
в том числе:
Выполнение индивидуальных заданий
16
Самостоятельное изучение тем
16
Получения индивидуальных консультаций преподавателя
10
Подготовка и сдача зачета
12
5
2.2. Тематический план учебной дисциплины
Наименование разделов и тем
1
Раздел 1. Введение
РАЗДЕЛ 2. Общая
классификация
нанообъектов
Содержание учебного материала, лабораторные работы и практические занятия, самостоятельная работа обучающихся, курсовая
работа (проект)
2
Лекции
1 Современные тенденции развития технологий. Определения наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий. Основные классы
материалов.
Лекции
1 Характерные особенности нанообъектов.
Размерный эффект. Системы с пониженной
размерностью. Гетероструктуры. Нанокластеры. Наноструктурированные поверхности и пленки.
Практические занятия
1
Квантовые ямы, нити, точки
Самостоятельная работа студента
1 Самостоятельное изучение темы
РАЗДЕЛ 3. Углеродные наноструктуры
Лекции
1 Виды аллотропных модификаций углерода.
Карбин. Графен и его производные
2 Углеродные каркасные наноструктуры: история открытия, строение, свойства, технологии получения, области применения. Неуглеродные нанотрубки
Практические занятия
Типы и модификации УНТ и фуллеренов.
Объем
часов/
зачетных
единиц
Образовательные
технологии
3
2
4
Информационная
вводная лекция
5
ОК-1/1
ОК-3/1
ОК-12/1
ПК-1/1
6
Контролирующая
консультационная
форма
2
Лекция-беседа
ОК-1/1
ОК-3/1
ОК-12/1
ПК-20/1
ПК-21/1
Контролирующая
консультационная
форма
4
Инновационные
методы активного
обучения
Решение задач
Кейс-технологии
ОК-1/1
ПК-1/2
ПК-20/2
Отчет по индивидуальным заданиям
ПК-1/2
ПК-20/2
ПК-21/2
ОК-1/1
ОК-3/1
ПК-1/1
ПК-19/1
ПК-20/1
ПК-21/1
Тестирование
Оценка компетенции
4
2
Лекцияпрезентация
2
Лекцияпрезентация
4
Формируемые
компетенции/
уровень
освоения*
Виртуальная лаОК-1/1
бораторная работа ПК-1/2
Формы текущего контроля
Контролирующая
консультационная
форма
Отчет
6
РАЗДЕЛ 4. Пористые и композитные системы
Тестирование
Оценка компетенции
Самостоятельная работа студента
2 Самостоятельное изучение темы.
4
Лекции
1
Нанокомпозиты.
Классификация
композитных материалов. Функциональные
и конструкционные материалы. Композиты
на основе пористых материалов.
2
Лекция - презентация
4
Инновационные
методы активного
обучения
Решение экспериментальных задач
Кейс-технологии
Решение домашнего задания
ОК-1/1
ПК-1/2
ПК-20/2
Собеседование
ОК-12/2
ПК-1/2
ПК-19/2
ПК-20/2
Отчет по индивидуальным заданиям
2
Лекция - презентация
ОК-3/1
ОК-12/1
ПК-1/1
ПК-19/1
Контролирующая
консультационная
форма
4
Инновационные
методы активного
обучения
Лабораторная работа
ОК-1/1
ПК-1/2
ПК-20/2
ОК-1/1
ПК-1/2
ПК-20/2
ПК-3/2
Отчет
1
Практические занятия
Пористый кремний: методы изготовления, модификации и области применения.
Самостоятельная работа студента
Выполнение индивидуального задания
8
Получения индивидуальных консультаций
преподавателя
Лекции
1 Сканирующая зондовая микроскопия. Туннельный и атомно-силовой микроскоп.
Электронный микроскоп. Ближнепольный
оптический микроскоп.
Практические занятия
1 Принципы работы и основные узлы электронного микроскопа.
6
Принципы работы и основные узлы сканирующего зондового микроскопа..
4
1
2
РАЗДЕЛ 5. Инструменты нанотехнологий
Кейс-технологии
ПК-20/2
ПК-1/2
ПК-20/2
ПК-21/2
ОК-1/1
ОК-3/1
ОК-12/1
ПК-1/1
ПК-19/1
ПК-20/1
2
Самостоятельная работа студента
Кейс-технологии
Контролирующая
консультационная
форма
Отчет
Тестирование
7
1
Самостоятельное изучение темы
РАЗДЕЛ 7. Бионаносистемы.
.
ПК-4/2
ПК-19/2
ПК-20/2
2
Лекция презентация
ОК-1/1
ОК-3/1
ОК-12/1
ПК-1/1
ПК-19/1
ПК-20/1
Контролирующая
консультационная
форма
2
Лекция презентация
ОК-12/2
ПК-1/2
ПК-3/1
ПК-19/2
ПК-20/2
Контролирующая
консультационная
форма
4
Инновационные
методы активного
обучения
Семинар
Кейс-технологии
Написание реферата
ОК-12/2
ПК-19/2
ПК-20/2
Доклады по рефератам
Оценка компетенции
ОК-12/2,
ПК-1/2, ПК19/2
ПК-20/2
ОК-1/1, ОК3/1
ОК-12/1,
ПК-1/1, ПК19/1
ПК-20/1
ОК-12/2
ПК-1/2
Отчет по рефератам
Получения индивидуальных консультаций
преподавателя
Лекции
1 Технологии «снизу вверх» и «сверху вниз».
Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. Основные свойства самоорганизующихся систем. Эпитаксиальные технологии. Нанолитография. Получение наноматериалов из жидкой фазы.
2 Методы нанолитографии. Создание наномасок.
Зондовые
технологии.
АСМлитография. Электронно-лучевая литография. Ионное и плазмохимическое травление.
Электролитическое травление. Получение
пористых структур протонной бомбардировкой
Практические занятия
Эпитаксиальные технологии. Молекулярнолучевая эпитаксия. Методы получения наночастиц из газовой фазы. Жидкофазная
эпитаксия.
Самостоятельная работа студента
2 Самостоятельное изучение темы
6
Лекции
1 Использование биоматериалов в технологии
создания приборов наноэлектроники. Наноматериалы и наноструктуры для медицинских приложений
2
2
РАЗДЕЛ 6. Процессы формирования наноматериалов и наноструктур
Выполнение индивидуальных заданий
2
Самостоятельная работа студента
1 Самостоятельное изучение темы
2
4
Лекция - презентация
Кейс-технологии
Контролирующая
консультационная
форма
Собеседование
8
Получения индивидуальных консультаций
преподавателя
Подготовка и сдача зачета
Итого
2
6
24
ПК-19/2
ПК-20/2
Зачет
Оценка компетенции
108/3
* В таблице уровень усвоения учебного материала обозначен цифрами:
1. – репродуктивный (освоение знаний, выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством);
2. – продуктивный (планирование и самостоятельное выполнение деятельности, решение проблемных задач; применение умений в новых
условиях);
3. – творческий (самостоятельное проектирование экспериментальной деятельности; оценка и самооценка инновационной деятельности).
9
2.3. Содержание учебного курса
РАЗДЕЛ 1. Введение.
Современные тенденции развития технологий. Определения наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий. Основные классы наноматериалов и их уникальные свойства.
РАЗДЕЛ 2. Общая классификация нанообъектов
Характерные особенности нанообъектов. Размерный эффект. Системы с пониженной размерностью. Квантовые ямы, нити, точки. Структуры с вертикальным переносом.
Гетероструктуры.
Нанокластеры. Наноструктурированные поверхности и пленки. Ультрадисперсные
материалы.
РАЗДЕЛ 3. Углеродные наноструктуры.
Виды аллотропных модификаций углерода. Химические связи атома углерода.
Карбин. Графен и его производные. Методы получения и перспективы применения графена.
Углеродные каркасные наноструктуры. Типы и модификации углеродных нанотрубок (УНТ). Механические и электрические свойства УНТ. Методы изготовления и области применения УНТ.
Фуллерены: история открытия, строение, физические и химические свойства. Технологии получения фуллеренов. Области применения фуллеренов и их соединений. Неуглеродные нанотрубки и фуллерены. Метод изготовления полупроводниковых нанотрубок
из напряженных гетероструктур.
РАЗДЕЛ 4. Пористые и композитные системы.
Нанокомпозиты. Классификация композитных материалов. Нанополимеры и нанокерамика. Гибридные нанокомпозиты. Функциональные и конструкционные материалы.
Композиты на основе пористых материалов. Применение нанокомпозитов в химической
и пищевой промышленности. Катализаторы и фильтры. Нанопокрытия.
Пористый кремний: методы изготовления, модификации и области применения.
Пористый кремний в электронике. Биомедицинские приложения пористого кремния
РАЗДЕЛ 5. Инструменты нанотехнологий
Электронный микроскоп. Принципы работы и основные узлы электронного микроскопа. Типы конструкций электронного микроскопа.
Сканирующая зондовая микроскопия, Принципы работы и основные типы конструкций туннельного микроскопа. Атомно-силовой микроскоп. Ближнепольный оптический микроскоп. Эллипсометрия.
РАЗДЕЛ 6. Процессы формирования наноматериалов и наноструктур
Технологии «снизу вверх» и «сверху вниз». Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. Основные свойства самоорганизующихся систем Эпитаксиальные технологии. Самоорганизация при эпитаксиальном росте. Роль механических напряжений.
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Этапы формирования наноструктур при
МЛЭ. Методы получения наночастиц из газовой фазы. Метод химических газотранспортных реакций. Ионный синтез. Лазерная абляция.
Получение наноматериалов из жидкой фазы. Жидкофазная эпитаксия. Методы восстановления и разложения в растворах. Самоорганизация в коллоидных системах. Зольгель-технологии.
Методы нанолитографии. Создание нано-масок. Зондовые технологии. АСМлитография. Электронно-лучевая литография. Ионное и плазмохимическое травление.
Электролитическое травление. Получение пористых структур протонной бомбардировкой.
РАЗДЕЛ 7. Био-нано-системы.
Использование биоматериалов в технологии создания приборов наноэлектроники.
Молекулы ДНК и протеинов как элементы интегральных схем. Нейрочип. Наноматериалы
для векторов доставки медикаментозных веществ. Нанобиокерамика.
10
3.Организация входного, текущего и промежуточного контроля обучения
3.1. Организация контроля:
 Текущий контроль – использование балльно-рейтинговой системы;
 Промежуточная аттестация выставляется на основании балльно-рейтинговой системы.
3.2. Тематика рефератов, проектов
Эпитаксиальные технологии. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Методы получения
наночастиц из газовой фазы. Жидкофазная эпитаксия.
Курсовая работа по курсу не предусмотрена.
3.4. Балльно-рейтинговая система
Максимальная сумма баллов, набираемая студентом по дисциплине «Материалы и
методы нанотехнологий», закрываемой семестровой итоговой аттестацией на 5курсе в 9
семестре, равна 100.
На основе набранных баллов, успеваемость студентов в семестре определяется
следующими оценками: «зачтено» — от 61 до 100 баллов, «незачтено» — 60 и менее
баллов.
Баллы, характеризующие успеваемость студента по дисциплине, набираются им в
течение всего периода обучения за изучение отдельных тем и выполнение отдельных видов работ.
Распределение баллов, составляющих основу оценки работы студента по изучению
дисциплины
1
2
Контрольные мероприятия
Самостоятельное исследование 1
Самостоятельное исследование 2
Самостоятельное исследование 3
Реферат
Собеседование 1
Собеседование 2
Индивидуальное задание 1
Индивидуальное задание 2
Лабораторная работа 1
Лабораторная работа 2
Лабораторная работа 3
Зачет
Итого:
До 100 баллов
До 12 баллов
До 12 баллов
До 12 баллов
До 9 баллов
До 5 баллов
До 5 баллов
До 5 баллов
До 5 баллов
До 5 баллов
До 5 баллов
До 5 баллов
До 20 баллов
100 баллов
Максимальная сумма баллов, набираемая студентом по дисциплине «Материалы и
методы нанотехнологий», закрываемой семестровой (итоговой) аттестацией на 1 курсе в
семестре 12, равна 100.
1. Сведения о материально-техническом обеспечении дисциплины
№п/п
1
2
3
4
5
Наименование оборудованных учебных кабинетов, лабораторий
Лекционная аудитория
Компьютерный класс
Лаборатория технологии наноматериалов
Лаборатория электронной микроскопии
Лаборатория зондовой микроскопии
Перечень оборудования и технических
средств обучения
Мультимедийное оборудование
Мультимедийное оборудование
Технологическое оборудование
Электронный микроскоп
Сканирующий зондовый микроскоп
11
5. Литература
5.1. Основная
2. Гусев А.Н. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / М. : Физматлит,
2007, – 416с. (2 экз + 1 экз. 2009г издания ).
3. Шик А. Я., Бакуева Л. Г., Мусихин С. Ф., Рыков С. А. Физика низкоразмерных систем / С.-Птб. : Наука, 2001.160 с. (3экз.).
4. Лозовский В. Н., Константинова Г. С., Лозовский С. В. Нанотехнология в электронике. Введение в специальность / СПб. – М. – Краснодар : Лань, 2008. – 328с(3
экз).
5. Суздалев И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. / М. : КлмКнига, 2006, – 592с. (1 экз. ).
5.2. Дополнительная
1.
Мартинес-Дуарт Дж. М., Мартин-Палма Р.Дж., Агулло-Руеда Ф. Нанотехнология для микро и оптоэлектроники / М.: Техносфера, 2007.— 368 с. (5экз.).
2.
Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применение / М. :
Бином. Лаборатория знаний, 2006. – 293с. (1экз.).
3. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / Ред. Л Ченг и К. Плог. М. :
Мир, 1989. – 580 с. (3экз.).
4. 9. Пул-мл. Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии: учебное пособие для ВУЗов / М. : Техносфера, 2009. – 336с. (3 экз.).
5. 10. Рамбиди Н.Г. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры / М. : Физматлит,
2007. – 256с.(3 экз.).
6. 11. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности / М. : Техносфера, 2008. – 352с. (5экз.).
7. 12. Абрамян А.А. и др. Основы прикладной нанотехнологии /М. : МАГИСТРПРЕСС, 2007.— 207 с. (3 экз.).
8. 13. Нанотехнологии в электронике / Под ред. Ю.А. Чаплыгина — М. : Техносфера,
2005.— 448 с. (3 экз.).
5.3. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины для организации самостоятельной работы студентов (содержит перечень основной литературы, дополнительной литературы, программного обеспечения и Интернет-ресурсов)
1. Тексты задач для аналитического решения с примерами решения задач (электронные
ресурсы кафедры полупроводниковой электроники и нанотехнологий).
2. Программы NanoEngeneer, Nanoexplorer (электронные ресурсы кафедры полупроводниковой электроники и нанотехнологий)
Примерные темы индивидуальных заданий (имитационное моделирование наноструктур с
использованием программ NanoEngeneer, Nanoexplorer)
 Моделирование нанокластера с заданным числом частиц.
 Моделирование углеродных нанообъектов различной природы.
 Моделирование углеродных нанотрубок.
12
Интернет-руссурсы:
1. WWW.SCIENCEDIRECT.COM — база данных журналов издательства Эльзевир.
2. WWW.NANOMETER.RU – сайт нанотехнологического сообщества, электронные
версии и видео- лекции по тематике нанотехнологий.
3. WWW.NANORU.RU – журнал «Российские нанотехнологии».
4. WWW.NANONEWSNET.RU – сайт о нанотехнологиях в России.
5. WWW.NTMDT.RU – приборостроение для нанотехнологий.
6. WWW.NANOWORLD.ORG – российское общество сканирующей зондовой микроскопии
и нанотехнологии.
7. HTTP://PUBS.ACS.ORG/JOURNAL/ANCAC3 - журнал ACS Nano, новости мира нанотехнологий.
13