Министерство образования и науки РФ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Самарский государственный университет»
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ | |
Проректор по научной работе | |
________________ | |
«____»_______________ 2011 г. |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ДИФФУЗИЯ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ»
(ОД. А.05; цикл ОД. А. 00 «Специальные дисциплины отрасли науки и научной специальности»;
основной образовательной программы подготовки аспиранта
по отрасли 01.00.00. - Физико-математические науки,
специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния)
Самара 2011
Рабочая программа составлена на основании паспорта научной специальности 01.04.07 – Физика конденсированного состояния, в соответствии с Программой-минимум кандидатского экзамена по специальности 01.04.07 – Физика конденсированного состояния по физико-математическим наукам, утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ № 000 от 01.01.2001 г., и учебным планом СамГУ по основной образовательной программе аспирантской подготовки.
Составитель рабочей программы: , профессор, доктор физико-математических наук.
Рабочая программа утверждена на заседании ученого совета физического факультета
протокол от 01.01.2001 г.
Декан физического факультета
«___»____________2011 г. ____________
(подпись)
1. Цели и задачи дисциплины, её место в учебном процессе, требования к уровню освоения содержания дисциплины
1.1. Цели и задачи изучения дисциплины
Цель дисциплины – ознакомление с феноменологической и атомной теорией диффузии в твердых телах, экспериментальными закономерностями и методами исследования диффузии, взаимосвязью и ролью структуры, дефектов структуры с диффузионными процессами, теорией случайных блужданий и эффектами корреляции, диффузией в разбавленных растворах, интерметаллидах, полупроводниках, ионных кристаллах, аморфных материалах, влиянием внешних воздействий на массоперенос; практическим применением диффузионных процессов в современных технологиях.
Задачи дисциплины:
- раскрыть взаимосвязь типа и характера межатомного взаимодействия в твердых телах различного типа с закономерностями наблюдаемых диффузионных процессов;
- рассмотреть основные фундаментальные способы описания диффузионных процессов в твердых телах и методы их исследования;
- рассмотреть влияние дефектов структуры на диффузионные процессы в твердых телах и способы их описания по дефектам кристаллической решетки;
- освоить способы описания и учета эффектов влияния внешних воздействий на массоперенос.
1.2. Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение данной дисциплины
Аспиранты, завершившие изучение данной дисциплины, должны:
иметь представление:
- научном и практическом значении изучения диффузионных процессов:
- о современном состоянии теории и практики описания диффузионных процессов в твердых телах;
- о роли диффузионных процессов природных геологических, гетерогенных физико-химических процессах и фазовых превращениях в твердых телах;
- о методах изучения диффузии.
знать: основы феноменологической и атомной теории диффузии в твердых телах, взаимосвязь и роль структуры, дефектов структуры с диффузионными процессами, специфику диффузии в разбавленных растворах, интерметаллидах, полупроводниках, ионных кристаллах, аморфных материалах, основные экспериментальные методы исследования диффузии, практическое применение диффузионных процессов в современных технологиях.
уметь:
- анализировать общие проблемы диффузии в твердых телах и уметь пропагандировать их;
- самостоятельно анализировать вопросы взаимосвязи кристаллической и электронной структуры твердых тел с закономерностями диффузионных процессов;
- ориентироваться в тематике научной литературы по вопросам диффузионных процессов в твердых телах;
- применять полученные знания в своей теоретической и практической работе.
1.3.Связь с предшествующими дисциплинами
Курс предполагает наличие у аспирантов знаний по общей физике, термодинамике, методам математической и статистической физики, атомной физике, электродинамике и физики твердого тела.
1.4.Связь с последующими дисциплинами
Знания и навыки, полученные аспирантами при изучении данного курса, необходимы при подготовке и написании диссертации по специальности 01.04.07 – Физика конденсированного состояния.
2. Содержание дисциплины
2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах и зачетных единицах)
Форма обучения (вид отчетности)
2 год аспирантуры; вид отчетности – зачет.
Вид учебной работы | Объем часов / зачетных единиц |
Трудоемкость изучения дисциплины | 36 / 1 |
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего) | 4 |
в том числе: | |
лекции | 2 |
семинары | 0 |
практические занятия | 2 |
Самостоятельная работа аспиранта (всего) | 32 |
Подготовка к практическим занятиям | - |
Подготовка реферата, эссе, проекта, глоссария, кейса (на выбор) | - |
Итого: | 36 |
2.2.Разделы дисциплины и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Количество часов |
| |
Лекции | Самостоят. работа | Практичес-кие занятия | ||
1 | Введение | - | 2 | - |
2 | Методы измерения диффузии | - | 6 | - |
3 | Феноменологическая теория диффузии | 2 | 6 | 2 |
4 | Атомная теория диффузии | - | 6 | - |
5 | Диффузия по дефектам кристаллической решетки | - | 6 | - |
6 | Диффузии в разбавленных растворах, интерметаллидах, полупроводниках, ионных кристаллах, аморфных материалах. Заключение | - | 6 | - |
Итого: | 2 | 32 | 2 | |
2.3.Лекционный курс
Введение
Диффузия. Практическое значение изучения диффузии. Научное значение изучения диффузии. Взаимосвязь диффузии и структуры твердых тел. Диффузионные механизмы изменения структуры твердых тел. Применение диффузии в полупроводниковой технологии производства. Виды диффузии. Существующие подходы к описанию диффузии.
Тема 1. Методы измерения диффузии.
Концентрация и ее изменение. Описание классического диффузионного эксперимента. Уравнения Фика. Основные решения уравнения диффузии с постоянным и переменным коэффициентом диффузии. Метод радиоактивных изотопов. Методы вторичной ионной масс-спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, обратного резерфордовского рассеяния, Оже-спектроскопии. Рентгенографическое исследование диффузии в поликристаллах, монокристаллах и аморфных материалах.
Экспериментальные закономерности диффузии.
ТЕМА 2. Феноменологическая теория диффузии. Восходящая диффузия. Концентрационная зависимость коэффициента диффузии. Температурная зависимость коэффициента диффузии и ее экспериментальное определение. Виды коэффициентов диффузии: коэффициент взаимной диффузии, парциальные и собственные коэффициенты диффузии, коэффициенты само - и гетеродиффузии. Восходящая диффузия и эффект Горского. Взаимная диффузия. Эффект Киркендалла. Эффект Френкеля. Метод Больцмана - Матано. Реакционная диффузия.
ТЕМА 3. Атомная теория диффузии. Теория диффузии Френкеля. Энергия активации диффузии. Атомные механизмы диффузии. Первый и второй закон Фика. Влияние движущих сил на диффузию. Диффузия в постоянном магнитном поле.
Связь коэффициента диффузии с характеристиками вакансий.
Броуновское движение. Среднее перемещение частиц. Соотношение Эйнштейна. Среднее перемещение частиц при случайных блужданиях. Эффекты корреляции. Коэффициент корреляции. Вычисление коэффициента диффузии (корреляции) для вакансионного механизма и кубических решеток. Пятичастотная модель эффектов корреляции в ГЦК-решетках. Корреляционные эффекты в различных механизмах диффузии. Изотопный эффект.
Теории примесной диффузии в благородных металлах.
Квантовая диффузия.
ТеМА 4. Диффузия по дефектам кристаллической решетки.
Диффузия по границам зерен поликристаллов. Диффузия по одиночной границе зерна (модель Фишера). Влияние ориентации границ зерен на диффузию.
Диффузия по поверхности. Диффузия по дислокациям. Диффузия в порошковых материалах. Диффузия в наноматериалах. Зернограничная диффузия в поликристаллах.
Межчастичная диффузия в порошковых материалах.
ТЕМА 5. ДИФФУЗИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.
Диффузии в разбавленных растворах, интерметаллидах, полупроводниках, ионных кристаллах, аморфных материалах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Современные направления развития диффузионных исследований и измерений. Диффузия как инструмент изучения фазовых переходов.
2.4. Практические (семинарские) занятия на тему: Феноменологическая теория диффузии.
3. Организация текущего и промежуточного контроля знаний
3.1. Контрольные работы – не предусмотрены.
3.2. Список вопросов для промежуточного тестирования – не предусмотрен.
3.3. Самостоятельная работа
3.3.1. Поддержка самостоятельной работы:
- Для поддержки самостоятельной работы по темам дисциплины аспирантам рекомендуется следующая специальная периодическая литература по специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния», имеющаяся в библиотеке и на кафедре ФТТиНС СамГУ:
1. Физика металлов и металловедение (ФММ) с 1963 г.
2. Поверхность с 1984 г.
3. Успехи физических наук (УФН) с 1922 г.
4. Журнал технической физики (ЖТФ) с 1990 г.
5. Письма в журнал технической физики (ПЖТФ) с 1982 г.
6. Журнал теоретической и экспериментальной физики (ЖЭТФ) с 1970 г.
7. Письма в журнал теоретической и экспериментальной физики (ПЖЭТФ) с 1970 г.
8. Физика и техника полупроводников с 1973 г.
9. Металлы с 1974 г.
10. Известия РАН. Серия физическая с 1936 г.
11. Физика и химия обработки материалов (ФХОМ) с 1974 г.
12. Физика твердого тела (ФТТ) с 1970 г.
13. Научная электронная библиотека РФФИ (Elibrary).
14. БД издательства ELSEVIER
15. Oxford University Press
16. Университетская библиотека ONLINE
17. Университетская информационная система Россия.
3.3.2. Выявление информационных ресурсов в научной библиотеке СамГУ (сайт научной библиотеки СамГУ, URL: http://weblib. *****/level23.html) и сети Internet по следующим направлениям:
1. Диффузия в магнитном поле (постоянные, переменные, импульсные).
2. Диффузия при наличии внешнего давления (напряжения).
3. Диффузия в порошках железа и кобальта.
4. Влияние магнитного поля на доменную структуру и намагниченность ферромагнетика.
5. Локальные магнитные моменты в сплавах.
6. Взаимная диффузия в ферромагнетиках.
7. Примесная диффузия в ферромагнетиках.
8. Старение сплавов (распад твердых растворов) как диффузионно-контролируемый процесс.
9. Старение сплавов при внешних воздействиях.
10.Диффузия в металлах, сплавах и полупроводниках.
11.Диффузия в тонких пленках и многослойных структурах.
12.Диффузия в аморфных материалах.
13.Покрытия (диффузионные).
14.Диффузия в неоднородных средах (теория).
15.Фазовые превращения при диффузии.
Итоговый контроль проводится в виде экзамена кандидатского минимума.
4. Технические средства обучения и контроля, использование ЭВМ
4.1. Программы пакета Microsoft Offiсe; ВидеоТест-Размер 5.0.
4.2. По теме дисциплины имеется более 15 демонстрационных и расчетных компьютерных программ, посвященных диффузионной сварке многослойных гетеросистем, расчету формы дифракционных линий при диффузионном отжиге порошковых, поликристаллических, монокристаллических систем, статистической и математической обработке результатов диффузионного эксперимента (DIFEXLAY-MD, DIFURMI, DIFURPI, PRLDUB, PRLPOR, MATANO и др).
5. Активные методы обучения (деловые игры, научные проекты)
Активные методы обучения планом не предусмотрены.
6. Материальное обеспечение дисциплины
6.1. Лабораторное оборудование. Установка для отжигов в постоянных и импульсных электромагнитных полях ПМП-2, высоковакуумное электротермическое оборудование (высоковакуумная и высокотемпературная шахтная печь типа СШВЛ-0,62/16М01 (нагрев до 1600 °С, вакуум 10-5 Тор), вакуумная печь ДВП-74, рентгеновский дифрактометр ДРОН-2, рентгеновский аппарат УРС-55, металлографические оптические микроскопы, БЕТА-анализатор, электроизмерительные приборы, нестандартная установка для измерения магнитных свойств материалов, двухкристальный рентгеновский спектрометр, комплектующие к рентгеновским аппаратам и др., электронные микроскопы ЭМ-200 и ЭМВ-100Б, электронооптическая установка EF-4, электронограф ЭМР-102, вакуумные посты ВУП-2К, ВУП-4 и вспомогательное оборудование (приставки).
6.2. Компьютерное обеспечение.
По теме дисциплины для работы с демонстрационными и расчетными программами имеется три компьютера и кафедральный компьютерный класс (пять компьютеров), обеспеченные возможностью выхода в Интернет и в локальную сеть Самарского государственного университета, а также принтеры, сканеры и ксероксы.
7. Литература
7.1. Основная
1. , Ярославцев атомов и ионов в твердых телах: - М.: МИСИС, 2005. – 362 с.
2. , , и др. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций: в двух томах. – М.: Изд-во «Машиностроение-1»; Самара: Изд-во «Самарский университет», 2006.
3. Диффузия в твердых телах. Монография. Пер. с англ. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. – 536 с.;
4. , , Угастэ диффузия в многофазных металлических системах. М., Наука, 1981.
5. , , Жуховицкий и кинетика диффузии в твердых телах. М., Металлургия, 1экз).
6. Гегузин зона. М., Наука, 1экз.).
7. Бокштейн в металлах. М., Металлургия, 1экз.).
8. Мehrer H. Diffusion in Solids. Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes. – Springer, 2008. – 651 p.
7.2. Дополнительная
1. , Введение в физику поверхности. Москва: Наука, 2006. – 490 с.
2. Страумал переходы на границах зерен. – М.: Наука, 2003.-327 с. - ISBN -5.
3. , , Мильнер по магнетизму. – 3-е изд., перераб. и доп..- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 512 с. – 5 экз.
4. И. Каур, В. Густ. Диффузия по границам зерен и фаз. Москва: Машиностроение, 199с.
5. , , Угастэ взаимной диффузии в сплавах. М., Наука, 1973.
6. Диффузия в твердых телах. М., Металлургия, 1966.
7. Маннинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах. М., Мир, 1971.
8. Диффузия в металлах с ОЦК - решеткой. Пер. с англ. М., Металлургия, 1969.
9. Бокштейн и структура металлов. М., Металлургия, 1973.
10. Болтакс в полупроводниках. М - Л., Физматгиз, 1961.
11. Диффузия в металлах. М., Иностранная литература, 1958.
12. Шиняев. Диффузионные процессы в сплавах. М., Наука, 1975.
13. , Дехтяр в металлах и сплавах в твердой фазе. М., Физматгиз, 1960.
14. , Смирнов в реакторных материалах. М., Атомиздат, 1978.
15. Грабский границ зерен в металлах. М., Металлургия, 1972.
17. Любов изменения дефектной структуры твердых тел. М., Металлургия, 1985. – 206 с.
18. Старк Дж. П. Диффузия в твердых телах/ Пер. С англ. Под ред . М.: Энергия, 1980. – 240 с.
19. Гуров кинетической теории. – М.: наука, 1973.
20. Любов процессы в неоднородных твердых средах. М.: Наука, 1981.
7. 3. Учебно-методические материалы по дисциплине
1. , Покоев процессы в металлах. Куйбышев, КГУ, 1984, 102 с. (14 экз.).
2. , Степанов по диффузионным процессам в твердых телах (учебное пособие). Самара: Изд-во “Самарский госуниверситет”, 2002, 69 с., 4,2 усл. печ. л. , 4,5 уч.-изд. л. (5 экз.).
3. Физика: Программы-минимум кандидатских экзаменов / Одобрено экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии Московского государственного университета им. , Института физики металлов УрО РАН, ФИАН им. и Института металлургии им. Байкова РАН.
ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ В РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ
за___________/___________учебный год
В рабочую программу курса ОД. А.05, «ДИФФУЗИЯ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ», цикл ОД. А.00 «Специальные дисциплины отрасли науки и научной специальности» основной образовательной программы подготовки аспиранта по отрасли Физико-математические науки, специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния, вносятся следующие дополнения и изменения:
