Программа дисциплины "Специальные вопросы материаловедения низкоразмерных систем"

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

"Специальные вопросы материаловедения низкоразмерных систем"

для специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста

Автор программы:

, д. ф.-м. н.,профессор,

*****@***ru

Одобрена на заседании кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии» «___»____________ 20 г

Зав. кафедрой:

Рекомендована секцией УМС [Введите название секции УМС] «___»____________ 20 г

Председатель [Введите ]

Утверждена УС факультета [Введите название факультета] «___»_____________20 г.

Ученый секретарь [Введите ] ________________________ [подпись]

Москва, 2012

Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.

1. Цели и задачи дисциплины

Целью дисциплины является изучение инициированных высокоэнергетической радиацией процессов деградации и модифицирования структуры и свойств материалов, а также формирования новых структурных фаз и систем, в частности наноразмерных систем. Важными составляющими дисциплины являются изучение радиационных методов получения и эволюции под действием радиации наноразмерных систем, протекающих в них радиационно-стимулированных и радиационно-индуцированных процессов, радиационной стойкости наноразмерных систем и их практического использования в наноэлектронике, аэрокосмической технике, ядерной энергетике. Базовыми дисциплинами являются: высшая математика, общая физика, физика конденсированного состояния, квантовая механика, общая и физическая химия, теория дефектов в твердых телах, физика полупроводников, физико-химия наноструктурированных материалов, физические свойства объемных и наноструктурированных материалов, теория симметрии и кристаллофизика.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

Изучение дисциплины предполагает освоение студентами фундаментальных основ радиационного материаловедения, в частности радиационного материаловедения наноразмерных систем, получение знаний о влиянии различных видов высокоэнергетических излучений на физические свойства и структуру материалов, в том числе наноматериалов, а также радиационных методах создания наноразмерных систем, эволюции их роста при облучении, уникальных свойствах и радиационной стойкости.

3.  Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Всего часов	Семестр	Семестр
6	7
Общая трудоемкость дисциплины	140	70	70
Аудиторные занятия	85	34	51
Лекции (Л)	68	34	34
Практические занятия (ПЗ)	17	-	17
Семинары (С)	-	-	-
Самостоятельная работа	55	36	19
Курсовой проект (работа)	-	-	-
Реферат	34	17	17
и (или) другие виды самостоятельной работы	-	-	-
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)		Зачет	Экзамен

4.  Содержание дисциплины

4.1.Разделы дисциплины и виды занятий.

№№ п/п	Раздел дисциплины	Лекции	Практические занятия
11	Физические основы радиационного материаловедения	34	-
22	Общие вопросы радиационного материаловедения.	12	8
33	Радиационное материаловедение низкоразмерных систем	22	9

4.2.Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Физические основы радиационного материаловедения: 16 часов.

1.1.Введение. Радиационное материаловедение как научно-техническое направление.

1.2. Виды и источники излучений.

1.2.1. Виды излучений – корпускулярное, электромагнитное. Электроны, протоны, ионы, альфа-, бета-частицы, гамма-кванты, нейтроны и др. Характеристики излучений: энергия, флюенс, поток, плотность потока, доза и др. Волновые свойства частиц. Потенциал и энергия ионизации. Радиоактивные изотопы, Характеристики радиоактивных изотопов. Спектр излучения. Период полураспада.

1.2.2. Источники излучений. Ускорители. Изотопные источники – естественные и искусственные. Ядерные реакции в атомном и термоядерном реакторе. Радиационные пояса Земли – естественные и искусственные. Космические лучи. Ядерные взрывы.

1.2.3. Методы регистрации излучений. Фотоядерные методы. Ионизационные, искровые, сцинтилляционные, полупроводниковые счетчики. Общее представление о спектроскопии излучений.

1.3. Поглощение излучения веществом. Физическая природа взаимодействия нейтронного, протонного, электронного и др. видов излучений с твердыми телами. Упругое и неупругое взаимодействие. Удельные энергетические потери. Эффективные сечения упругих и неупругих взаимодействий. Эффективные сечения взаимодействия высокоэнергетических электронов с веществом. Фотоядерные реакции. Потенциалы взаимодействия. Экспериментальные измерения энергетических потерь. Поглощение излучений кристаллами. Особенности поглощения высокоэнергетических нейтральных тяжелых частиц. Общее теоретическое рассмотрение траекторий при столкновении. Глубины проникновения для различных высокоэнергетических частиц. Понятие проективного пробега ускоренных частиц. Эффект каналирования заряженных частиц в кристаллах. Эффект блокирования (теней). Каналирование при низких энергиях первичных частиц. Каналирование при высоких энергиях. Классическая и квантовая теории каналирования. Деканалирование высокоэнергетических частиц. Прикладное использование эффектов каналирования и блокирования для изучения структуры и местоположения инородных атомов, тетрагональности кристаллических решеток и т. д. Неупругие процессы поглощения излучений веществом. Ядерные реакции. Ядерные реакции при воздействии на вещество легких заряженных частиц. Ядерные реакции при воздействии на вещество нейтронов. Распределение первичных атомов отдачи.

1.4. Образование дефектов в кристаллических твердых телах при воздействии излучений различных видов. Элементарные процессы образования радиационных точечных дефектов в кристаллах. Пороговая энергия образования пар Френкеля. Анизотропия энергии образования пар Френкеля. Радиусы спонтанной аннигиляции вакансий и междоузельных атомов. Рекомбинационный объем. Атомные смещения вблизи порога образования точечных дефектов (подпороговые эффекты). Сечение дефектообразования. Каскады столкновений. Элементарная теория каскадов столкновений. Определение первичной энергии атомов отдачи. Каскады столкновений при высоких и низких энергиях. Эффект фокусировки атомных столкновений. Фокусировка атомных столкновений в ГЦК и ОЦК кристаллах. Строение каскада смещений. Обедненные зоны. Расчет числа смещенных атомов в каскаде смещений. Определение числа дефектов, вводимых различными видами излучений. Каскадное перемешивание. Отжиг радиационных дефектов в кристаллах. Стадии отжига и их природа. Образование каскадов смещений при фотоядер

ных реакциях. Тепловые пики. Экспериментальное исследование каскадов смещений. Роль неупругих процессов при нейтронном, протонном, электронном облучении в дефектообразовании в кристаллах. Осколки деления. Трасмутанты. Определение концентрации трансмутантов.

1.5.Радиационно-индуцированные и радиационно-стимулированные процессы в металлических и полупроводниковых материалах. Радиационно-индуцированная сегрегация компонентов в облученных сплавах. Радиационно-индуцированные и радиационно-стимулированные фазовые превращения в сплавах. Радиационно-стимулированная диффузия. Взаимодействие радиационных дефектов с дислокациями и атомами примесей. Дислокации как стоки междоузельных атомов и вакансий. Преференс. Примесные атмосферы. Радиационно-стимулированные процессы в полупроводниковых материалах.

1.6. Поверхностные радиационные дефекты в твердых телах. Физическое и химическое распыление кристаллических и аморфных твердых тел под действием ускоренных частиц. Радиационный блистеринг в материалах. Зависимость степени эрозии поверхности при распылении и блистеринге от энергии частиц, флюенса, температуры и других факторов. Влияние поверхностной структуры материала на блистеринг. Распыление материалов под действием высокоэнергетических нейтронов. Способы повышения стойкости материалов по отношению к распылению и блистерингу.

1.7. Физические принципы имитации одних видов излучений другими. Прогнозирование свойств материалов. Общие принципы машинной имитации радиационных повреждений в кристаллах. Имитация воздействия быстрых нейтронов высокоэнергетическими тяжелыми ионами и электронами. Имитация с помощью фотоядерных реакций. Экспериментальные методы имитации. Общие методы прогнозирования накопления радиационных дефектов в кристаллах в зависимости от реальных условий.

1.8. Взаимодействие импульсных излучений с веществом. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Изменение структуры и свойств материалов при лазерном воздействии в режимах свободной генерации и модулированной добротности. Воздействие высокоэнергетических импульсов плазмы на свойства материалов. Взаимодействие сверхжесткого рентгеновского излучения с веществом.

Раздел 2. Общие вопросы радиационного материаловедения.

2.1.Воздействие высокоэнергетических излучений на объемные физические свойства неорганических материалов. Воздействие электронного, протонного, нейтронного излучений, реакторного облучения, излучений радиационных поясов Земли на электрические свойства металлов, полупроводников, изоляторов. Радиационно-стимулированное изменение электрических свойств резисторных материалов. Влияние электронного, протонного, нейтронного излучений на сверхпроводящие материалы, изменение температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Влияние излучений на электросопротивление изоляционных материалов. Изменение электрических свойств полупроводников и полупроводниковых соединений при воздействии излучений. Изменение магнитных свойств материалов при воздействии излучений. Изменение механических свойств конструкционных и функциональных материалов космической и атомной техники под воздействием электронного и протонного излучений.

2.2. Воздействие высокоэнергетических излучений на структуру металлических и полупроводниковых материалов. Радиационно-стимулированные структурно-фазовые превращения в конструкционных и функциональных материалах космической и атомной техники. Влияние нейтронного, электронного и протонного излучений на структуру сплавов на основе алюминия, магния, меди, никеля, железа, ванадия и др. Потеющие самовосстанавливающиеся при облучении алюминий-литиевые и алюминий-медные сплавы. Радиационно-стимулированные кристаллохимические процессы в полупроводниковых материалах.

2.3.Радиационная стойкость конструкционных материалов атомной и термоядерной энергетики. Охрупчивание конструкционных материалов при нейтронном облучении. Низкотемпературное и высокотемпературное охрупчивание. Способы подавления радиационного охрупчивания легированием и пластической деформацией. Основные требования к материалам для ядерных и термоядерных реакторов. Радиационное распухание и методы его подавления. Поверхностная радиационная стойкость материалов для термоядерной энергетики. Распыление и блистеринг, способы их подавления. Защитные покрытия, применяемые на первой стенке термоядерного реактора; материалы защитных покрытий (графиты, пирографиты, карбиды и др.). Способы нанесения защитных покрытий. Материалы для дивертора токамака.

Материалы изотопных источников. Проблема создания малоактивируемых материалов (материалов с быстрым спадом наведенной радиоактивности) для использования в конструкциях атомной и термоядерной энергетики.

2.4. Радиационная стойкость материалов космической техники. Радиационная стойкость конструкционных материалов космической техники и материалов радиоэлектронной аппаратуры. Физическое и химическое распыление поверхности космических аппаратов под действием кислородной плазмы, протонного и метеорного потоков, ускоренных частиц собственной атмосферы. Радиационная стойкость оптических и терморегулирующих покрытий космических аппаратов. Радиационная стойкость кремниевых солнечных батарей. Радиационная стойкость полимерных материалов. Радиационная стойкость графитов. Радиационная стойкость стекол. Накопление электростатического заряда на поверхности космических аппаратов и способы борьбы с этим явлением.

2.5.Радиационная стойкость материалов электронной техники. Радиационная стойкость металлических материалов электровакуумных приборов и элементов электронных схем. Радиационная стойкость керамических материалов электронной техники. Радиационная стойкость изоляционных материалов. Радиационная стойкость графитов и карбидных материалов. Радиационная стойкость стекол. Радиационная стойкость полимерных материалов. Радиационная стойкость магнитных материалов.

2.6. Радиационная обработка и модифицирование материалов. Ионное легирование и его применение в машиностроении, электронной технике, химической и других отраслях промышленности. Радиационное легирование. Использование ядерных реакций для легирования полупроводниковых материалов. Радиационная обработка металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов с целью их модифицирования и придания им специальных свойств.

Раздел 3. Радиационное материаловедение низкоразмерных систем

3.1.Общая характеристика низкоразмерных систем.

3.2. Радиационные методы получения низкоразмерных систем.

3.2.1. Ионный синтез. Особенности процесса ионного синтеза, требуемые режимы (энергия ионов, дозы имплантации, ориентационные условия облучения, распределение пробегов имплантированных ионов, пострадиационный фотонный импульсный отжиг). Ионный синтез соединений A3B5 в кремниевой матрице. Ионный синтез слоев переходных металлов в кремнии. Создание методом ионного синтеза наноструктур для трехмерной наноэлектроники

3.2.2. Ионное распыление. Формирование наноразмерных структур при ионном распылении поверхности полупроводников. Теоретические модели метода (модели, основанные на распределении энергии по Гауссу; моделирование распыления методом Монте-Карло; уточнение распределения поглощаемой энергии). Распыление вращающихся подложек. Влияние параметров облучения на особенности формирования наноразмерных структур при ионном распылении подложек (вариация ускоряющего напряжения, угла падения ионов). Морфология поверхности при ионном распылении.

3.2.3. Лазерное облучение. Формирование фуллеренов при лазерном испарении графитов. Получение углеродных нанотрубок при термическом распылении графита лазерным облучением. Использование импульсных лазерных методов для получения наноструктур. Ударно-волновой синтез нанокластеров при воздействии на металлы лазерных гигантских импульсов.

3.2.4. Плазменные методы в технологии создания наноразмерных структур.. Плазменные методы создания поверхностных периодических наноструктур. Специфика используемого плазменного оборудования. Технологические проблемы обеспечения создания периодических наноразмерных структур. Плазмохимический синтез нанокристаллов Особенности травления диэлектрических слоев субмикронных наноструктур

3.2.5.Формирование наноразмерных фаз в металлических и полупроводниковых материалах при облучении многокомпонентными пучками ионов. Ионно-имплантационная технология синтезирования в металлической матрице (алюминиевые сплавы, нержавеющие стали и др.) в условиях низкодозного и низкотемпературного облучения монодисперсной наноразмерной сверхтвердой карбонитридной фазы (например, карбонитрида бора при облучении ионами гелия, углерода, азота и бора) с использованием многокомпонентного источника ионов с целью получения материалов с уникальными прочностными характеристиками. Гелиевые поры как центры зарождения вторичных фаз. Синтезирование нанокристаллов в структуре облученных газовыми ионами (например, ионами гелия) полупроводниковых материалов.

3.2.6. Использование ядерных мембран для матричного синтеза наноструктур. Ядерные фильтры, их получение и применение в различных областях науки и техники. Использование ядерных мембран для создания нанопроволок. Режимы процесса создания нанопроволок (энергия и плотность потока тяжелых ионов при облучении полимерных пленок, особенности травления полимерных пленок, электролиза и заполнения нанопор различными металлами), структура нанопроволок, созданных матричным синтезом, их свойства и области применения.

3.3. Радиационные методы анализа наноразмерных систем.

Использование синхротронного излучения для анализа наноразмерных структур. Исследование наноразмерных систем методом электрон-позитронной аннигиляции

3.4. Радиационно-пучковые методы нанолитографии. Электронно-лучевая литография – принципы, оборудование, режимы. Ионная литография – ионная проекционная литография и ионно-лучевая литография, - принципы, оборудование и использование в нанотехнологиях Литографически-индуцированная самосборка наноструктур (ЛИС). Использование экстремальной ультрафиолетовой литографии для создания наночипов с размерами 10-100 нм при изготовлении ультрабольших интегральных схем.

3.5..Радиационно-стимулированные и радиационно-индуцированные процессы в наноразмерных системах.

3.5.1. Эффект самоорганизации наноструктур, созданных методом ионного синтеза, механизмы самоорганизации. Самоорганизация, обусловленная накоплением радиационных дефектов. Самоорганизация и нестабильность дефектной системы в полупроводниках под облучением. Формирование сверхрешеток в распределении плотности дефектов при облучении бинарных соединений. Сравнение особенностей самоорганизации в полупроводниках и металлах.

3.5.2. Формирование квантовых точек и квантовых проволок, созданных радиационными методами, модели их формирования. Форма и упорядочение квантовых точек.

3.6.Фрактальные наноразмерные структуры. Понятие фрактала. Фрактальная размерность, методы ее определения. Понятие фрактального кластера. Свойства фрактальных кластеров. Получение фрактальных наноструктур (нитей) при облучении лазерными, электронными и ионными пучками металлических поверхностей. Режимы процесса получения. Строение и свойства фрактальных нитей. Наноразмерные пленки меди с фрактальной структурой. Механизмы формирования фрактальных структур в микро - и нанотехнологии. Фрактальный анализ самоорганизованных полупроводниковых структур.

3.7. Радиационная стойкость наноразмерных систем. Радиационная стойкость кристаллов с квантовыми точками. Радиационная стойкость полупроводниковых соединений A3B5 для наноразмерной фотоэлектроники.

3.8. Наноразмерные системы для наноэлектроники, полученные радиационными методами.

3.8.1. Получение квантовых точек в пленках SiO2 из монокристаллических кремния и Германия при ионной имплантации. Оптические и люминесцентные свойства облученных пленок SiO2.

3.8.2. Самооорганизованные квантовые точки Si-Ge, получаемые методом ионного синтеза. Свойства самоорганизованных SiGe – наноструктур; механизм вязкого течения материала при наличии радиационных дефектов.

Энергозависимая память на нанокристаллах, синтезированных ионными пучками. Использование захороненных слоев нанокристаллов, созданных ионным синтезом, для хранения заряда в устройствах флэш-памяти.

3.8.3. Особенности дисилицида кобальта как лучшего материала среди силицидов для наноэлектроники (высокая проводимость, высокая температурная стабильность, хорошая сопрягаемость с решеткой кремния). Наноструктурированные слои дисилицида кобальта в кремнии, образующиеся при бомбардировке кремния ионами кобальта и внедрении ионов кобальта в кремниевую подложку. Самоорганизованные и самоподобные наноразмерные структуры из силицида кобальта в кремнии, полученные ионным синтезом. Фрактальный анализ структур. Квантовые проволоки и квантовые точки дисилицида кобальта, полученные ионным синтезом, их применение в ультрабольших интегральных схемах, биполярных транзисторах и др.

3.9.Наноматериалы для защиты от электромагнитного излучения. Создание тонкослойных покрытий с наноструктурами заданного типа для поглощения или отражения электромагнитного излучения (лазерного, микроволнового и др.) заданной частоты. Нанокристаллы с радиационно-защитными свойствами, поглотители электромагнитного излучения. Наноструктурные материалы (пленки TiNi, TiB2 и др.) для защитных экранов от электромагнитного излучения.

3.10.Наноматериалы для аэрокосмической и ракетно-космической техники. Композиционные наноматериалы (на основе TiN/MoS2, TiB2/MoS2, WС/ аморфный углерод / WS2 и др.) для аэрокосмической техники – получение магнетронным или лазерным облучением и свойства. Модифицирование наночастицами полимерных материалов, предназначенных для использования в космической технике. Наноматериалы в ракетно-космической технике, их физико-химические свойства и радиационная стойкость. Создание нанопокрытий для солнечных панелей с высоким к. п.д.

3.11. Наноматериалы для ядерной энергетики. Модифицирование материалов отражателей и размножителей нейтронов наночастицами. Пористый бериллий, модифицированный нанокластерами, его свойства. Использование нанокристаллических материалов для создания малораспухаемых оболочечных и топливных материалов тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

4.3. Понедельный план проведения лекционных и семинарских занятий

№ недели	Кол-во часов лекций	Кол-во часов практ. заня-тий	Содержание разделов дисциплины
			6 семестр
1	2	-	Раздел 1. Физические основы радиационного материаловедения. 1.1.Введение. Радиационное материаловедение как научно-техническое направление. 1.2. Виды и источники излучений. 1.2.1. Виды излучений – корпускулярное, электромагнитное. Электроны, протоны, ионы, альфа-, бета-частицы, гамма-кванты, нейтроны и др. Характеристики излучений: энергия, флюенс, поток, плотность потока, доза и др. Волновые свойства частиц. Потенциал и энергия ионизации. Радиоактивные изотопы, Характеристики радиоактивных изотопов. Спектр излучения. Период полураспада.
2	2	-	1.2.2. Источники излучений. Ускорители. Изотопные источники – естественные и искусственные. Ядерные реакции в атомном и термоядерном реакторе. Радиационные пояса Земли – естественные и искусственные. Космические лучи. Ядерные взрывы. 1.2.3. Методы регистрации излучений. Фотоядерные методы. Ионизационные, искровые, сцинтилляционные, полупроводниковые счетчики. Общее представление о спектроскопии излучений.
3	2	-	1.3. Поглощение излучения веществом. Физическая природа взаимодействия нейтронного, протонного, электронного и др. видов излучений с твердыми телами. Упругое и неупругое взаимодействие. Удельные энергетические потери. Эффективные сечения упругих и неупругих взаимодействий. Эффективные сечения взаимодействия высокоэнергетических электронов с веществом. Фотоядерные реакции.
4	2	-	Потенциалы взаимодействия. Экспериментальные измерения энергетических потерь. Поглощение излучений кристаллами. Особенности поглощения высокоэнергетических нейтральных тяжелых частиц.
5	2	-	Общее теоретическое рассмотрение траекторий при столкновении. Глубины проникновения для различных высокоэнергетических частиц. Понятие проективного пробега ускоренных частиц. Эффект каналирования заряженных частиц в кристаллах. Эффект блокирования (теней). Каналирование при низких энергиях первичных частиц. Каналирование при высоких энергиях. Классическая и квантовая теории каналирования. Деканалирование высокоэнергетических частиц. Прикладное использование эффектов каналирования и блокирования для изучения структуры и местоположения инородных атомов, тетрагональности кристаллических решеток и т. д.
6	2	-	Неупругие процессы поглощения излучений веществом. Ядерные реакции. Ядерные реакции при воздействии на вещество легких заряженных частиц. Ядерные реакции при воздействии на вещество нейтронов. Распределение первичных атомов отдачи.
7	2	-	1.4. Образование дефектов в кристаллических твердых телах при воздействии излучений различных видов. Элементарные процессы образования радиационных точечных дефектов в кристаллах. Пороговая энергия образования пар Френкеля. Анизотропия энергии образования пар Френкеля. Радиусы спонтанной аннигиляции вакансий и междоузельных атомов. Рекомбинационный объем. Атомные смещения вблизи порога образования точечных дефектов (подпороговые эффекты). Сечение дефектообразования.
8	2	-	Каскады столкновений. Элементарная теория каскадов столкновений. Определение первичной энергии атомов отдачи. Каскады столкновений при высоких и низких энергиях. Эффект фокусировки атомных столкновений. Фокусировка атомных столкновений в ГЦК и ОЦК кристаллах. Строение каскада смещений. Обедненные зоны.
9	2	-	Расчет числа смещенных атомов в каскаде смещений. Определение числа дефектов, вводимых различными видами излучений. Каскадное перемешивание. Отжиг радиационных дефектов в кристаллах. Стадии отжига и их природа. Образование каскадов смещений при фотоядерных реакциях. Тепловые пики. Экспериментальное исследование каскадов смещений.
10	2	-	Роль неупругих процессов при нейтронном, протонном, электронном облучении в дефектообразовании в кристаллах. Осколки деления. Трасмутанты. Определение концентрации трансмутантов.
11	2	-	1.5.Радиационно-индуцированные и радиационно-стимулированные процессы в металлических и полупроводниковых материалах. Радиационно-индуцированная сегрегация компонентов в облученных сплавах.
12	2	-	Радиационно-индуцированные и радиационно-стимулированные фазовые превращения в сплавах.
13	2	-	Радиационно-стимулированная диффузия. Взаимодействие радиационных дефектов с дислокациями и атомами примесей. Дислокации как стоки междоузельных атомов и вакансий. Преференс. Примесные атмосферы. Радиационно-стимулированные процессы в полупроводниковых материалах.
14	2	-	1.6. Поверхностные радиационные дефекты в твердых телах. Физическое и химическое распыление кристаллических и аморфных твердых тел под действием ускоренных частиц.
15	2	-	Радиационный блистеринг в материалах. Зависимость степени эрозии поверхности при распылении и блистеринге от энергии частиц, флюенса, температуры и других факторов. Влияние поверхностной структуры материала на блистеринг. Распыление материалов под действием высокоэнергетических нейтронов. Способы повышения стойкости материалов по отношению к распылению и блистерингу.
16	2	-	1.7. Физические принципы имитации одних видов излучений другими. Прогнозирование свойств материалов. Общие принципы машинной имитации радиационных повреждений в кристаллах. Имитация воздействия быстрых нейтронов высокоэнергетическими тяжелыми ионами и электронами. Имитация с помощью фотоядерных реакций. Экспериментальные методы имитации. Общие методы прогнозирования накопления радиационных дефектов в кристаллах в зависимости от реальных условий.
17	2	-	1.8. Взаимодействие импульсных излучений с веществом. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Изменение структуры и свойств материалов при лазерном воздействии в режимах свободной генерации и модулированной добротности. Воздействие высокоэнергетических импульсов плазмы на свойства материалов. Взаимодействие сверхжесткого рентгеновского излучения с веществом.
			7 семестр
1	2	-	Раздел 2. Общие вопросы радиационного материаловедения. 2.1.Воздействие высокоэнергетических излучений на объемные физические свойства неорганических материалов. Воздействие электронного, протонного, нейтронного излучений, реакторного облучения, излучений радиационных поясов Земли на электрические свойства металлов, полупроводников, изоляторов. Радиационно-стимулированное изменение электрических свойств резисторных материалов. Влияние электронного, протонного, нейтронного излучений на сверхпроводящие материалы, изменение температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Влияние излучений на электросопротивление изоляционных материалов. Изменение электрических свойств полупроводников и полупроводниковых соединений при воздействии излучений. Изменение магнитных свойств материалов при воздействии излучений. Изменение механических свойств конструкционных и функциональных материалов космической и атомной техники под воздействием электронного и протонного излучений.
2	2	4	2.2. Воздействие высокоэнергетических излучений на структуру металлических и полупроводниковых материалов. Радиационно-стимулированные структурно-фазовые превращения в конструкционных и функциональных материалах космической и атомной техники. Влияние нейтронного, электронного и протонного излучений на структуру сплавов на основе алюминия, магния, меди, никеля, железа, ванадия и др. Потеющие самовосстанавливающиеся при облучении алюминий-литиевые и алюминий-медные сплавы. Радиационно-стимулированные кристаллохимические процессы в полупроводниковых материалах.
3	2	4	2.3.Радиационная стойкость конструкционных материалов атомной и термоядерной энергетики. Охрупчивание конструкционных материалов при нейтронном облучении. Низкотемпературное и высокотемпературное охрупчивание. Способы подавления радиационного охрупчивания легированием и пластической деформацией. Основные требования к материалам для ядерных и термоядерных реакторов. Радиационное распухание и методы его подавления. Поверхностная радиационная стойкость материалов для термоядерной энергетики. Распыление и блистеринг, способы их подавления. Защитные покрытия, применяемые на первой стенке термоядерного реактора; материалы защитных покрытий (графиты, пирографиты, карбиды и др.). Способы нанесения защитных покрытий. Материалы для дивертора токамака.
4	2	-	Материалы изотопных источников. Проблема создания малоактивируемых материалов (материалов с быстрым спадом наведенной радиоактивности) для использования в конструкциях атомной и термоядерной энергетики. 2.4. Радиационная стойкость материалов космической техники. Радиационная стойкость конструкционных материалов космической техники и материалов радиэлектронной аппаратуры. Физическое и химическое распыление поверхности космических аппаратов под действием кислородной плазмы, протонного, метеорного потоков, ускоренных частиц собственной атмосферы. Радиационная стойкость оптических и терморегулирующих покрытий космических аппаратов. Радиационная стойкость кремниевых солнечных батарей. Радиационная стойкость полимерных материалов.
5	2	-	Радиационная стойкость графитов. Радиационная стойкость стекол. Накопление электростатического заряда на поверхности космических аппаратов и способы борьбы с этим явлением. 2.5.Радиационная стойкость материалов электронной техники. Радиационная стойкость металлических материалов электровакуумных приборов и элементов электронных схем. Радиационная стойкость керамических материалов электронной техники. Радиационная стойкость изоляционных материалов. Радиационная стойкость графитов и карбидных материалов. Радиационная стойкость стекол. Радиационная стойкость полимерных материалов. Радиационная стойкость магнитных материалов.
6	2	-	2.6. Радиационная обработка и модифицирование материалов. Ионное легирование и его применение в машиностроении, электронной технике, химической и других отраслях промышленности. Радиационное легирование. Использование ядерных реакций для легирования полупроводниковых материалов. Радиационная обработка металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов с целью их модифицирования и придания им специальных свойств.
7	2	-	Раздел 3. Радиационное материаловедение наноразмерных систем 3.1.Общая характеристика наноразмерных систем. 3.2.Радиационные методы получения наноразмерных систем. 3.2.1.Ионный синтез. Особенности процесса ионного синтеза, требуемые режимы (энергия ионов, дозы имплантации, ориентационные условия облучения, распределение пробегов имплантированных ионов, пострадиационный фотонный импульсный отжиг). Ионный синтез соединений A3B5 в кремниевой матрице. Ионный синтез слоев переходных металлов в кремнии. Создание методом ионного синтеза наноструктур для трехмерной наноэлектроники.
8	2	4	3.2.2.Ионное распыление. Формирование наноразмерных структур при ионном распылении поверхности полупроводников. Теоретические модели метода (модели, основанные на распределении энергии по Гауссу; моделирование распыления методом Монте-Карло; уточнение распределения поглощаемой энергии). Распыление вращающихся подложек. Влияние параметров облучения на особенности формирования наноразмерных структур при ионном распылении подложек (вариация ускоряющего напряжения, угла падения ионов). Морфология поверхности при ионном распылении.
9	2	-	3.2.3. Лазерное облучение. Формирование фуллеренов при лазерном испарении графитов. Получение углеродных нанотрубок при термическом распылении графита лазерным облучением. Использование импульсных лазерных методов для получения наноструктур. Ударно-волновой синтез нанокластеров при воздействии на металлы лазерных гигантских импульсов.
10	2	-	3.2.4. Плазменные методы в технологии создания наноразмерных структур. Плазменные методы создания поверхностных периодических наноструктур. Специфика используемого плазменного оборудования. Технологические проблемы обеспечения создания периодических наноразмерных структур. Плазмохимический синтез нанокристаллов Особенности травления диэлектрических слоев субмикронных наноструктур.
11	2	-	3.2.5.Формирование наноразмерных фаз в металлических и полупроводниковых материалах при облучении многокомпонентными пучками ионов. Ионно-имплантационная технология синтезирования в металлической матрице (алюминиевые сплавы, нержавеющие стали и др.) в условиях низкодозного и низкотемпературного облучения монодисперсной наноразмерной сверхтвердой карбонитридной фазы (например, карбонитрида бора при облучении ионами гелия, углерода, азота и бора) с использованием многокомпонентного источника ионов с целью получения материалов с уникальными прочностными характеристиками. Гелиевые поры как центры зарождения вторичных фаз. Синтезирование нанокристаллов в структуре облученных газовыми ионами (например, ионами гелия) полупроводниковых материалов.
12	2	-	3.2.6. Использование ядерных мембран для матричного синтеза наноструктур. Ядерные фильтры, их получение и применение в различных областях науки и техники..Использование ядерных мембран для создания нанопроволок. Режимы процесса создания нанопроволок (энергия и плотность потока тяжелых ионов при облучении полимерных пленок, особенности травления полимерных пленок, электролиза и заполнения нанопор различными металлами), структура нанопроволок, созданных матричным синтезом, их свойства и области применения. 3.3. Радиационные методы анализа наноразмерных систем. Использование синхротронного излучения для анализа наноразмерных структур. Исследование наноразмерных систем методом электрон-позитронной аннигиляции.
13	2	-	3.4. Радиационно-пучковые методы нанолитографии. Электронно-лучевая литография – принципы, оборудование, режимы. Ионная литография – ионная проекционная литография и ионно-лучевая литография, - принципы, оборудование и использование в нанотехнологиях Литографически-индуцированная самосборка наноструктур (ЛИС). Использование экстремальной ультрафиолетовой литографии для создания наночипов с размерами 10-100 нм при изготовлении ультрабольших интегральных схем. 3.5.Радиационно-стимулированные и радиационно-индуцированные процессы в наноразмерных системах. 3.5.1. Эффект самоорганизации наноструктур, созданных методом ионного синтеза, механизмы самоорганизации. Самоорганизация, обусловленная накоплением радиационных дефектов. Самоорганизация и нестабильность дефектной системы в полупроводниках под облучением.
14	2	-	Формирование сверхрешеток в распределении плотности дефектов при облучении бинарных соединений. Сравнение особенностей самоорганизации в полупроводниках и металлах. 3.5.2. Формирование квантовых точек и квантовых проволок, созданных радиационными методами, модели их формирования. Форма и упорядочение квантовых точек. 3.6.Фрактальные наноразмерные структуры. Понятие фрактала. Фрактальная размерность, методы ее определения... Понятие фрактального кластера. Свойства фрактальных кластеров. Получение фрактальных наноструктур (нитей) при облучении лазерными, электронными и ионными пучками металлических поверхностей. Режимы процесса получения. Строение и свойства фрактальных нитей. Наноразмерные пленки меди с фрактальной структурой. Механизмы формирования фрактальных структур в микро - и нанотехнологии. Фрактальный анализ самоорганизованных полупроводниковых структур.
15	2	-	3.7. Радиационная стойкость наноразмерных систем. Радиационная стойкость кристаллов с квантовыми точками. Радиационная стойкость полупроводниковых соединений A3B5 для наноразмерной фотоэлектроники. 3.8. Наноразмерные системы для наноэлектроники, полученные радиационными методами. 3.8.1. Получение квантовых точек в пленках SiO2 из монокристаллических кремния и Германия при ионной имплантации. Оптические и люминесцентные свойства облученных пленок SiO2. 3.8.2. Самооорганизованные квантовые точки Si-Ge, получаемые методом ионного синтеза. Свойства самоорганизованных SiGe – наноструктур; механизм вязкого течения материала при наличии радиационных дефектов. Энергозависимая память на нанокристаллах, синтезированных ионными пучками. Использование захороненных слоев нанокристаллов, созданных ионным синтезом, для хранения заряда в устройствах флэш-памяти.
16	2	-	3.8.3. Особенности дисилицида кобальта как лучшего материала среди силицидов для наноэлектроники (высокая проводимость, высокая температурная стабильность, хорошая сопрягаемость с решеткой кремния). Наноструктурированные слои дисилицида кобальта в кремнии, образующиеся при бомбардировке кремния ионами кобальта и внедрении ионов кобальта в кремниевую подложку. Самоорганизованные и самоподобные наноразмерные структуры из силицида кобальта в кремнии, полученные ионным синтезом. Фрактальный анализ структур. Квантовые проволоки и квантовые точки дисилицида кобальта, полученные ионным синтезом, их применение в ультрабольших интегральных схемах, биполярных транзисторах и др. 3.9.Наноматериалы для защиты от электромагнитного излучения. Создание тонкослойных покрытий с наноструктурами заданного типа для поглощения или отражения электромагнитного излучения (лазерного, микроволнового и др.) заданной частоты. Нанокристаллы с радиационно-защитными свойствами, поглотители электромагнитного излучения. Наноструктурные материалы (пленки TiNi, TiB2 и др.) для защитных экранов от электромагнитного излучения.
17	2	5	3.10.Наноматериалы для аэрокосмической и ракетно-космической техники. Композиционные наноматериалы (на основе TiN/MoS2, TiB2/MoS2, WС/ аморфный углерод / WS2 и др.) для аэрокосмической техники – получение магнетронным или лазерным облучением и свойства. Модифицирование наночастицами полимерных материалов, предназначенных для использования в космической технике. Наноматериалы в ракетно-космической технике, их физико-химические свойства и радиационная стойкость. Создание нанопокрытий для солнечных панелей с высоким к. п.д. 3.11. Наноматериалы для ядерной энергетики. Модифицирование материалов отражателей и размножителей нейтронов наночастицами. Пористый бериллий, модифицированный нанокластерами, его свойства. Использование нанокристаллических материалов для создания малораспухаемых оболочечных и топливных материалов тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

5. Практические занятия:

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование практических (лабораторных) занятий	Трудо-емкость (часы /зачетные единицы)
1.	2	Электронномикроскопическое исследование скоплений радиационных дефектов, образованных при ионной бомбардировке материалов	4
2.	2	Блистеринг-эффект в твердых телах	4
3.	2	Распыление материалов при ионной бомбардировке	4
4.	3	Исследование топографии поверхности функциональных наноматериалов методом растровой электронной микроскопии	5

6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

а) основная рекомендуемая литература

1. , , и др. Физика воздействия концентрированных потоков энергии на материалы. Учебник. М., УНЦ ДО МГУ, 2004, 418 с.

2. Материаловедение. Учебник для студентов втузов (под ред. ). М., Высшая школа, 2007, 357 с.

3. , , и др. Новые материалы (под ред. ). М., МИСиС, 2002, 736 с.

4. Гусев , наноструктуры, нанотехнологии. М., ФИЗМАТЛИТ, 2005, 416 с.

5. Материалы и методы нанотехнологии. Учебное пособие. М., БИНОМ. Лаборатория знаний,.2008, 431 с.

6. , Рагуля материалы. Учебное пособие. М., Издательский центр «Академия», 2005, 192 с.

б) дополнительная литература

1. , , и др. Радиационная повреждаемость конструкционных материалов. СПб, изд-во СПбГТУ, 2000, 296с.

2. Бондаренко В. Т., Диагностика дефектов, создаваемых потоками высокоэнергетических частиц в материалах. М., МИЭМ, 2003, 34 с.

3. Бондаренко блистеринг материалов (учебное пособие). М., МИЭМ, 1986, 80с.

4. , Кучерявый -стимулированные процессы в металлах и сплавах(учебное пособие). М., МИЭМ, 1990, 85с.

5. , Заболотный. радиационные повреждения материалов. М., МИЭМ, 2003, 30с.

6. , , и др. Хрестоматия и специальные вопросы металловедения. СПб, изд-во СПбГТУ, 1998, 304 с.

7. Суздалев : физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с.

8. , В., Дзидзигури . Учебное пособие. М., БИНОМ. Лаборатория знаний.2008,365с.

9. Нанотехнологии. Мир материалов и технологий. М., Техносфера, 2004, 328 с.

10. , Пряхин и специальные материалы. Учебное пособие. СПб, ХИМИЗДАТ, 2007, 176с.

11. , Пархоменко – материал наноэлектроники. М., Техносфера, 2007, 352 с.

12., , Тупик основы микроэлектроники. Учебник для втузов. М., издательский центр «Академия», 2008, 400с.

13. Введение в нанотехнологию (пер. с японск.). М., БИНОМ. Лаборатория знаний. 2005, 134с.

14.., Лозовский в электронике. Введение в специальность. СПб, Лань, 2005, 336с.

15. Нанотехнологии в электронике (под ред. ). М., Техносфера, 2005,448с.

16. Гречихин наночастиц и нанотехнологий. Общие основы, механические, тепловые и эмиссионные свойства. Минск, УП «Технопринт», 2004, 399с.

в) учебно-методические материалы

1. Бондаренко материаловедение. Лабораторный практикум. М., МИЭМ, 1987, 78с.

2. Бондаренко исследование скоплений радиационных дефектов, образованных при ионной бомбардировке материалов (методические указания к лабораторной работе). М., МИЭМ, 1985, 18с.

3. Бондаренко -эффект в твердых телах (методические указания к лабораторной работе). М, МИЭМ, 1979, 19с.

4. Бондаренко материалов при ионной бомбардировке (методические указания к лабораторной работе). М., МИЭМ, 1984, 32с.

5. , Гайдар топографии поверхности функциональных наноматериалов методом растровой электронной микроскопии (учебно-методическое пособие для проведения семинарского занятия с элементами инженерного тренинга). М., МИЭМ, 2011, 24с.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины:

- лаборатория изучения физико-механических свойств и структуры материалов кафедры «Материаловедение электронной техники». Перечень оборудования: установки для измерения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, установка для измерения микротвердости ПМТ-3, лазерная установка ГОС-1001, прибор для измерения комплекса механических свойств материалов, микроскопы оптические; просвечивающий электронный микроскоп, эмиссионный электронный микроскоп, растровый электронный микроскоп EVO 40 “ZEISS”.с рентгеновской приставкой для элементного анализа, сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000, участок термической обработки; прибор для исследования теплопроводности материалов, проекционный телевизор с компьютерным управлением.

8. Методические рекомендации по организации обеспечения дисциплины

В интерактивных формах проводятся 18 часов практических занятий. Практические занятия предусматривают закрепление и углубление лекционного материала, теоретической части курса. В качестве оценочного средства для контроля успеваемости проводится написание студентами рефератов по заданным преподавателем темам с последующим обсуждением, которое проходит в форме конференции.

При проведении практических занятий необходимо создать условия для максимально самостоятельного выполнения лабораторных работ. Поэтому при проведении практического лабораторного занятия преподавателю рекомендуется:

- провести экспресс-опрос по теоретическому материалу, необходимому для выполнения работы;

- оценить работу студента в лаборатории и полученные им данные;

- проверить подготовленный по результатам работы отчет и принять защиту студентом теоретической и практической частей работы.

Практическая работа должна включать глубокую самостоятельную проработку теоретического материала по теме занятия, изучение методик проведения эксперимента, освоение измерительных средств, обработку и интерпретацию экспериментальных данных. В некоторые практические работы целесообразно включить разделы с дополнительными элементами научных исследований, которые потребуют углубленной самостоятельной проработки теоретического материала.

Самостоятельная работа студентов - форма обучения, являющаяся продолжением освоения материала, изучаемого студентами в лекционных и практических занятиях.

Внеаудиторная самостоятельная работа направлена на глубокое изучение дисциплины по списку обязательной и дополнительной литературы, а также списку рекомендуемой литературы для самостоятельной работы, включает в себя всестороннюю проработку теоретических разделов курса, подготовку к выполнению и защите практических лабораторных работ, контрольным опросам по материалам лекций.

Самостоятельная работа включает в себя:

- глубокую проработку отдельных разделов и лекционных тем курса с помощью рекомендуемой обязательной и дополнительной литературы;

- самостоятельную подготовку к практическим занятиям;

- написание реферата по заданной преподавателем теме.

Форма проверки самостоятельной работы – контрольный опрос студентов на практических занятиях, проверка реферата.

Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 210602.65 «Наноматериалы».

Программу составил профессор кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии», доктор физико-математических наук

Настоящая программа рассмотрена на заседании кафедры «___»______ 2012 г, протокол №____ и рекомендована к применению в учебном процессе.

Заведующий кафедрой

д. т.н.,профессор

Срок действия программы продлен на:

20__/20__ уч. год_______________________________________.

(подпись зав. кафедрой)

20__/20__ уч. год_______________________________________. (подпись зав. кафедрой)