Курс "Механика наноразмерных систем"

Преподаватель: профессор, д. ф.-м. н.Владимир Викторович Чалдышев

Краткая информация о курсе

Из всех разделов физики механика является, по-видимому, наиболее древней наукой. Её начала были заложены учеными, имена которых не сохранила история, но многие изобретения которых, такие как топор, плуг и, конечно, колесо, с успехом используются до сих пор. Начиная с тех древних времен механика проделала гигантский путь в своем развитии. Механические свойства многих материалов занесены в инженерные справочники, а современный математический аппарат позволяет рассчитать в статике и динамике механические свойства очень сложных конструкций.

При всех успехах механики как фундаментальной и прикладной науки, её замечательная способность ответить на вопрос: “Как поведут себя те или иные материалы и конструкции под воздействием механических сил?”, до недавнего времени сочеталась с полной неспособностью ответить на вопрос: “Откуда берутся механические свойства того или иного материала?”. Для ответа на этот вопрос оказалось необходимым исследовать атомное строение твердых тел. Причем выяснилось, что при всей важности знаний о силах межатомного взаимодействия механические свойства твердых тел могут быть поняты только тогда, когда известна организация атомов и атомных структур на масштабах от нескольких единиц до сотен нанометров.

Предметом изучения в данном курсе наномеханики является физическая природа механических свойств материалов, композиционных гетероструктур и наномеханических систем. С одной стороны он примыкает к классическим курсам теоретической механики и сопротивления материалов, а с другой стороны – к квантовой химии, кристаллографии и физике твердого тела. В курсе также рассматриваются основы современных нанотехнологий и их применение для создания наноструктур и наносистем для электроники, фотоники, связи, биологии и медицины. Подбор материала в большой степени соответствует курсам наномеханики, предлагаемых в магистратуре и аспирантуре University of California at Santa Barbara, Brown University, Harvard University, Massachusetts Institute of Technology и других ведущих университетах США.

Курс включает следующие основные разделы:

1. Введение.

Особенности механических свойств материалов при уменьшении их размеров до единиц-сотен нанометров.

Важность механических свойств для самоорганизации и самоупорядочения наноразмерных объектов.

Нано-электро-механические системы - основные принципы создания, применение в электронике, оптике, связи, системах безопасности, биологических системах, медицине.

2. Микроскопическая теория упругости.

Упругие свойства наноразмерных включений в твердых телах.

Упругие напряжения как движущая сила фазовых переходов, процессов самоорганизации и упорядочения.

3. Микроскопическая теория пластичности.

Дислокации и точечные дефекты в кристаллах.

Релаксация упругих напряжений в наноструктурах.

Деградация полупроводниковых приборов.

4. Микроскопическая теория прочности.

Разрушение наноструктур.

Прочность элементов нано-электро-механических систем.

5. Микроскопическая теория трения.

Подвижные элементы в механических наносистемах.

6. Электронные, оптические и электромагнитные элементы нано-электро-механических систем.

7. Технология изготовления нано-электро-механических систем.

Эптаксия, окисление, травление.

Электронная и рентгеновская литография.

Нелитографические нанотехнологии.

Основные учебники по курсу:

Cleland A. N. &quotFoundations of Nanomechanics" (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2003).

Freund L. B., Suresh S. &quotThin film materials: stress, defect formation and surface evolution" (Boston, 2003).

Maluf N., Williams K. &quotAn Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering" (2nd edition. Artech House, Boston, London, 2004).

Дополнительная литература:

Hearn E. J. &quotMechanics of Materials" vol.1-2 (Butterworth-Heinemann, Oxford, Auckland, Boston, 1997).

Hearth J. P., Lothe, J. &quotTheory of Dislocations" (3rd edition. Willey Interscience, New York, 1982) [Хирт Дж., “Теория дислокаций” (М, Атомиздат 1972)].

"Теория упругости" (М., Наука, 1970).

"Механика упругих тел" (СПбГТУ, 1999).

"Сопротивление материалов" (М., Физ.-Мат. Лит., 1962).

Ziman J. M. &quotPriciples of the Theory of Solids" (2nd edition. Cambidge University Press, 1972). [Займан Дж. “Принципы теории твердого тела” (М., Мир, 1974)].

"Основы материаловедения и технологии полупроводников" (М., 2002).

"Современная кристаллография. Том 1. Симметрия кристаллов. Методы структурной кристаллографии." (М., Наука, 1979).

Программу составил: д. ф.-м. н.