Учебно-Методический Комплекс для магистров «Физика квантоворазмерных систем» (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

УМО для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематического направления ННС

«Композитные наноматериалы»

Комплект 1

Том 11

Учебно-Методический Комплекс

для магистров

«Физика квантоворазмерных систем»

2008

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

дисциплины

"Физика квантоворазмерных систем"

цикла математических и естественнонаучных дисциплин

(профильная часть)

для подготовки магистров по направлению «Нанотехнология»

с профилем подготовки «Композитные наноматериалы»

СОДЕРЖАНИЕ

1.  Пояснительная записка............................................................................................................3

2.  Учебно-методический план дисциплины..............................................................................7

3.  Рабочая программа дисциплины...........................................................................................10

4.  План лекционных занятий.....................................................................................................16

5.  План практических (семинарских) занятий.........................................................................21

6.  Вопросы для самостоятельного изучения............................................................................24

7.  Контрольные вопросы по курсу в целом..............................................................................25

8.  Тестовые материалы, используемые в рейтинговой системе............................................27

9.  Список рекомендуемой литературы и электронных ресурсов кафедры............................…………………………………………………………………...30

10.  Методические рекомендации по изучению дисциплины

и организации самостоятельной работы студентов.............................................................……32

11.  Методические рекомендации для преподавателей............................................................34

12.  Информационные технологии, используемые при изучении

дисциплины и при организации самостоятельной работы студентов................................…...36

13.  Текст лекций дисциплины................................................................................................... 37

14.  Приложение 1. Учебные пособия по дисциплине…………………………………….. 164

1 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к учебно-методическому комплексу дисциплины

"Физика квантоворазмерных систем"

Учебно-методический комплекс дисциплины "Физика квантоворазмерных систем" составлен в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования и примерным учебным планом подготовки магистров по направлению «Нанотехнология» с профилем подготовки «Композитные наноматериалы», в части математических и естественнонаучных дисциплин.

Выписка из Государственного Образовательного Стандарта

Индекс	Наименование дисциплин и их основные разделы	Всего часов
М.2	Физика квантоворазмерных систем: Размерное квантование и квантоворазмерные структуры, технология квантоворазмерных структур, свободные и связанные носители в структурах с пониженной размерностью, кинетические эффекты в квантоворазмерных системах, оптические свойства квантовых ям, двумерныйэлектронный газ в сильном магнитном поле.	160

Цели и задачи курса

В последние годы физика, технология и практическое использование систем пониженной размерности развиваются очень быстрыми темпами. Постоянно появляются все новые типы электронных приборов, основанные на физических явлениях в квантоворазмерных структурах (квантовых ямах, квантовых нитях и квантовых точках).

Курс "Физика квантоворазмерных систем" посвящен изложению основ одного из наиболее современных направлений физики твердого тела и полупроводниковой электроники, связанного с проявлением квантоворазмерных эффектов. Квантование качественно меняет все основные свойства электронной системы и приводит к появлению принципиально новых эффектов, что может быть использовано при создании новых типов приборов опто - и наноэлектроники. Курс необходим для получения студентами знаний в области физики и технологии низкоразмерных систем, понимании основных свойств системы с пониженной размерностью, использующихся как при физических исследованиях, так и при проектировании и создании устройств на основе низкоразмерных структур. Особое внимание уделяется качественному и количественному сравнению различных эффектов, возникающих в объемных материалах и системах с пониженной размерностью. Знание, полученные в рамках этого курса, являются необходимыми для работы в современных областях физики и технологии полупроводниковых низкоразмерных структур, а также в области создания и эксплуатации приборов и устройств на их основе.

Курс физики квантоворазмерных систем требует предварительной подготовки студентов по таким дисциплинам как физика конденсированного состояния, физика полупроводников, квантовая механика, математика (дифференциальное и интегральное исчисления), технологии микроэлектроника. Знания, полученные в рамках данного курса, необходимы в рамках дальнейшего обучения в рамках курсов, связанных с конкретными приборными применениями наноструктур.

Требования к уровню освоения учебной дисциплины

В результате изучения данного курса студент должен:

– иметь представление:

о конкретных параметрах квантоворазмерных систем различного типа; о связи между фундаментальными свойствами систем с пониженной размерностью и методами их практического использования; о возможных способах использования полупроводниковых гетероструктур, структур с двумерным электронным газом, квантовых нитей и точек для разработки и изготовления принципиально новых полупроводниковых приборов и устройств

– знать:

особенности физических свойств систем с пониженной размерностью; методы их теоретического описания; технологию создания структур с пониженной размерностью, включающую как традиционные методы микро - и наноэлектроники, так и специфические технологические процессы, разработанные в последние годы для получения низкоразмерных структур; конкретные материалы, которые могут использоваться для создания структур пониженной размерности, их параметры и особенности применения в различных структурах;

– уметь:

анализировать: процессы, происходящие в твердом теле при понижении размерности системы и вызывающие изменения в их свойствах; критерии выбора материалов, пригодных для оптимального наблюдения тех или иных квантоворазмерных эффектов;

проводить расчеты: параметров модельных квантоворазмерных систем; параметров создаваемых структур, требуемых для их использования в том или ином заданном диапазоне длин волн, энергий кванта излучения, температур;

овладеть навыками применения математического аппарата квантовой механики для описания свойств квантоворазмерных систем; самостоятельного использования знаний, полученных при изучении фундаментальной дисциплин в прикладных разработках для создания новых приборов с необходимыми для практики характеристиками.

Совокупность указанных представлений, знаний, умений и навыков отражает требования государственных образовательных стандартов.

Формы контроля:

Текущие проверки выполнения заданий, полученных в рамках практических занятий, разовые (1-2 раза в семестр) письменные проверки усвоения лекционного материала, зачет по курсу практических занятий, один экзамен.

Оперативный контроль

Оперативный контроль проводится с целью отслеживания и необходимой корректировки качества усвоения материала по всем видам занятий студентов (лекционных и практических). Он осуществляется в фронтальной форме по лекционному курсу (в письменном виде, 1-2 раза в семестр), а также постоянно в ходе проведения практических занятий.

Рубежный контроль

В течение семестра студенты, руководствуясь учебно-методическим планом, подготавливают решения задач, выдаваемых в качестве домашнего задания на практических занятиях (или части этих решений, продолжающие рассмотрение задачи, проведенное в рамках аудиторных занятий). Проверка их выполнения и обсуждение полученных решений проводятся преподавателем в начале аудиторных практических занятий.

Итоговый контроль по курсу

Для контроля усвоения курса физики квантоворазмерных систем учебным планом предусмотрены один зачет и один экзамен. Зачет выставляется по результатам практических занятий и может быть как итогом работы студента в течение семестра (результаты решения домашних заданий, активность на практических занятиях, решение предлагаемых задач в ходе аудиторных занятий), так и проводиться путем выдачи по одной задаче для самостоятельного решения в аудитории. В экзаменационном билете содержится два вопроса, один из которых в обязательном порядке содержит необходимость проведения строгого математического вывода того или иного окончательного результата, получения итоговой формулы и т. п.

Контрольные пункты проверки знаний

– Оперативный контроль выполнения заданий и решения задач, полученных в рамках проведения практических занятий.

– Теоретический коллоквиум по методам расчета энергетического спектра электронов с потенциальных ямах различной формы.

2 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ План ДИСЦИПЛИНЫ

"ФИЗИКА КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ"

Виды учебных занятий, их объем и формы итогового контроля представлены в таблице 1.

Таблица 1

Виды учебных занятий	Трудоемкость учебных занятий (час.)
Общая	10 семестр
Аудиторные занятия	80	80
Лекции	64	64
Семинарские занятия	16	16
Самостоятельная работа	80	80
Подготовка к коллоквиуму	4	4
Выполнение индивидуальных заданий	32	32
Самостоятельное изучение разделов курса	30	30
Подготовка к зачетам	4	4
Подготовка к экзаменам	10	10
Дисциплина в целом	160	160
Формы итогового контроля	1 зач., 1 экз.	1 зач., 1 экз.

Учебно-тематический план учебной дисциплины представлен в таблице 2.

Таблица 2

Темы учебной дисциплины	Всего часов	Кол-во аудиторных часов	Кол-во часов сам. раб
Лекции	Лаборатории	Практ. занят.
Тема 1. Введение: цели, задачи и структура курса физики квантоворазмерных систем, его место в общей программе обучения	4	2	–	–	2
РАЗДЕЛ I РАЗМЕРНОЕ КВАНТОВАНИЕ И КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ
Тема 2. Классические размерные и квантоворазмерные эффекты. Принцип размерного квантования и особенности энергетического спектра электронов.	9	4	-	2	3
Тема 3. Основные типы квантоворазмерных структур и используемые для их получения материалы	7	3	-	-	4
Тема 4. Методы расчета энергетического спектра носителей заряда в структурах различной размерности	34	5	-	9	20
РАЗДЕЛ II ТЕХНОЛОГИЯ КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
Тема 5. Требования к технологии получения квантоворазмерных структур и методы получения двумерных систем	9	5	-	-	4
Тема 6. Методы получения структур с одномерным и нульмерным газом, концепция самоорганизации	9	5	-	-	4
РАЗДЕЛ III СВОБОДНЫЕ И СВЯЗАННЫЕ НОСИТЕЛИ В СТРУКТУРАХ С ПОНИЖЕННОЙ РАЗМЕРНОСТЬЮ
Тема 7. Плотность электронных состояний и статистика носителей в структурах различной размерности	8	4	-	1	3
Тема 8. Связанные состояния в двумерных структурах	8	4	-	-	4
Тема 9. Изменение свойств системы носителей заряда в двумерных системах	14	6	-	2	6
РАЗДЕЛ IV КИНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМАХ
Тема 10. Проводимость и подвижность в двумерных системах	9	4	-	-	5
Тема 11. Перенос носителей в квантовых нитях и системах квантовых ям	10	5	-	-	5
РАЗДЕЛ V ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ЯМ
Тема 12. Оптическое поглощение в квантовых ямах	13	5	-	2	6
Тема 13. Эффекты оптической ионизации квантовых ям и деполяризационные эффекты	7	3	-	-	4
РАЗДЕЛ VI ДВУМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ В СИЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Тема 14. Описание спектра двумерного электронного газа и кинетических явлений в сильном магнитном поле	9	5	-	-	4
Тема 15. Квантовый эффект Холла и его объяснение	10	4	-	-	6
ВСЕГО	160	64	-	16	80

3 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА