Рабочая программа учебной дисциплины «Прикладная физика (физико-химия наноструктурированных материалов)»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ ТЕПЛОВОЙ И АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИТАЭ) ___________________________________________________________________________________________________________

Направление подготовки: 140700 Ядерная энергетика и теплофизика

Профиль(и) подготовки: Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА (ФИЗИКО-ХИМИЯ

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ)»

Цикл:	профессиональный
Часть цикла:	базовый
№ дисциплины по учебному плану:	ИТАЭ; Б3.9
Часов (всего) по учебному плану:	324
Трудоемкость в зачетных единицах:	9	3 семестр – 5; 4 семестр - 4
Лекции	72 час	3,4 семестр
Практические занятия	72 час	3,4 семестр
Лабораторные работы	-	-
Расчетные задания, рефераты	36 час самостоят. работы	3,4 семестр
Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего)	180 час	3,4 семестр
Экзамены	54 час сам работы	3,4 семестр
Курсовые проекты (работы)	-

Москва – 2010

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является теоретическое изучение основных физико-химических процессов в наноструктурированных материалах, позволяющих понимать и вычислять основные параметры наносистем и наноматериалов. По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

• в условиях развития научной базы, технологий и изменяющейся социальной практики

к переоценке накопленного опыта, анализу своих возможностей, приобретению новых знаний и навыков, использованию современных средств, методов и технологий обучения (ОК-6);

•  самостоятельно работать, принимать решения в рамках своей профессиональной деятельности (ОК-7);

•  демонстрировать базовые знания в области естественнонаучных дисциплин, использовать основные законы в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, экспериментального и теоретического исследования (ПК-2);

•  выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат;

•  анализировать различного рода рассуждения, публично выступать, аргументировано вести дискуссию и полемику (ОК-12);

•  анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-6);

•  участвовать в разработке методов прогнозирования количественных характеристик процессов, протекающих в конкретных наносистемах на основе существующих методик.

Задачами дисциплины являются

•  освоение обучающимися различных методов описания физико-химических процессов в наноматериалах на базе современных подходов и моделей;

•  обучение математическим формулировкам моделей для описания различных задач в физико-химии наноматериалов с учетом законов сохранения, механики и термодинамики;

• обучение современным методам экспериментального исследования физико-
химических процессов в наноматериалах;

• обучение различным способам решения задач физико-химии наноматериалов с
доведением до количественных результатов и сравнением с имеющими
экспериментальными данными.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла Б. З основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилю «Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике» направления 140700 Ядерная энергетика и теплофизика. Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Математика», «Физика (общая)», «Химия (общая)», «Термодинамика».

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполненеии бакалаврской выпускной квалификационной работы и изучения дисциплин «Методы и приборы для изучения, анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов», «Процессы получения наночастиц и материалов, нанотехнологии», «Физико-химия наночастиц и наноматериалов», а также для программы магистерской подготовки «Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике».

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие

результаты образования:

Знать:

•  методы анализа термодинамики поверхности, процессов на поверхности и в приповерхностных слоях (ПК2);

•  методы описания адсорбции и десорбции, поверхностной энергии и ее анизотропии (ПК-

2);

•  методы и способы реконструкции и релаксации поверхностей (ПК-2);

•  методы обработки поверхности и условия сохранения ее свойств (ПК-2);

•  методы описания механизмов роста на поверхности (механизм Странского-Крастанова

и др.) (ПК-2);

•  основы физической химии наносистем; уравнения и характеристики условий термодинамической стабильности межфазных границ в наносистемах (ПК-2);

•  особенности поверхностных процессов в микро - и наноструктурах: размерные эффекты и фазовые переходы; зародышеобразование, кластерообразование и формирование наноструктур; самоорганизация наноразмерных упорядоченных структур (ПК-2);

•  физико-химические эффекты в туннельно-зондовой нанотехнологии (ПК-2);

•  локальные химические электронно-стимулированные реакции (ПК-2). Уметь:

•  проводить термодинамический анализ процессов на поверхности наноструктур (ПСК-

3);

•  самостоятельно строить модели физико-химических процессов при росте наноструктур (ПСК-3);

•  проводить расчеты основных параметров в физико-химии наноструктур (ПСК-3);

•  оценивать и анализировать физико-химические эффекты в туннельно-зондовой (ПСК-

3);

•  анализировать локальные химические электронно-стимулированные реакции (ПСК-3). Владеть:

•  навыками дискуссии по профессиональной тематике (ОК-12);

•  терминологией в области физико-химии наноматериалов (ОК-2);

•  навыками поиска информации о физико-химических свойствах наноструктур (ПК-6);

• информацией о технических параметрах оборудования для исследования физико-
химических параметров наноструктур (ПК-17).

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 4.1 Структура дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 9 зачетных единиц, 324 часа.

№ п/п	Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации (по семестрам)	Всего часов на раздел	Семестр	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)	Формы текущего контроля успеваемости (по разделам)
лк	пр	лаб	сам.
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Введение. Физико- химические процессы в наноструктурах	15	3	4	4		7	Опрос на занятиях
2	Термодинамика поверхности, процессы на поверхности и в приповерхностных слоях слоях	15	3	4	4		7	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
3	Адсорбция и десорбция; поверхностная энергия и ее анизотропия	15	3	4	4		7	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
4	Реконструкция и релаксация поверхностей; обработка поверхности и условия сохранения ее свойств	15	3	4	4		7	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
5	Механизмы роста на поверхности (механизм Странского-Крастанова и др.)	15	3	4	4		7	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
6	Основы физической химии наносистем. Основные параметры, модели и объекты	26	3	8	8		10	Опрос на занятиях; реферат
7	Границы раздела фаз Особенности границ раздела.	23	3	8	8		7	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
8	Роль межфазных границ в формировании свойств наноматериалов	10	4	4	4		2	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
9	Квазиравновесие в наносистемах; устойчивость нанообъектов	12	4	4	4		4	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
10	Поведение наночастиц при спекании	12	4	4	4		4	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
11	Кинетика процессов в наносистемах. Зависимость свойств от размера частиц	12	4	4	4		4	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
12	Уравнения и характеристики условий термодинамической стабильности межфазных границ в наносистемах	12	4	4	4		4	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
13	Электронные свойства наночастиц	12	4	4	4		4	Опрос на занятиях; реферат
14	Особенности поверхностных процессов в микро - и наноструктурах: размерные эффекты и фазовые переходы	12	4	4	4		4	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
15	Зародышеобразование, кластерообразование и формирование наноструктур	12	4	4	4		4	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
16	Самоорганизация наноразмерных упорядоченных структур	12	4	4	4		4	Опрос на занятиях; проверка домашнего задания
	Зачет	4	3,4	--	--	--	4	Презентация и защита реферата
	Экзамен	54	3,4	--	~	--	54	Устный
	Итого:	324		72	72		180

4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1. Лекции

3 семестр

1. Введение. Физико-химические процессы в наноматериалах

Основные понятия наномира и нанотехнологий. Роль размерных эффектов в физико-химических свойствах. Понятие наночастиц и наноматериалов. Основные физико-химические параметры наноматериалов.

2. Термодинамика поверхности, процессы на поверхности и в приповерхностных слоях

Основы термодинамики поверхности. Основные величины и функции. Соотношения для термодинамических величин на поверхности. Основные физико-химические процессы на поверхности конденсированных тел. Приповерхностные слои и их особенности; модели описания. Экспериментальные методы изучения поверхности.

3. Адсорбция и десорбция; поверхностная энергия и ее анизотропия

Понятие об адсорбции и десорбции. Понятие о поверхностной энергии. Анизотропия поверхностной энергии. Атомная структура поверхностей с адсорбатами. Поверхностные фазы в субмонослойных системах адсорбат-подложка. Состав поверхностных фаз. Фазовая диаграмма. Адсорбция. Кинетика адсорбции. Зависимость от покрытия, температуры, угла и кинетической энергии. Термическая десорбция. Кинетика десорбции. Десорбционная спектроскопия. Изотермы адсорбции. Нетермическая десорбция.

4. Реконструкция и релаксация поверхностей; обработка поверхности и условия

сохранения ее свойств

Поверхностная диффузия. Законы Фика. Диффузия отдельного атома и химическая диффузия. Собственная диффузия и диффузия массопереноса. Анизотропия поверхностной диффузии. Атомные механизмы поверхностной диффузии: прыжковый, атомного обмена, тунеллирования, обменный. Экспериментальные методы изучения диффузии: прямое наблюдение за атомами, метод изменения профиля, капиллярные методы, метод островков.

5. Механизмы роста на поверхности (механизм Странского-Крастанова и др.)

Механизмы роста на поверхности: Франка-ван дер Мерве, Вольмера — Вебера, Странского — Крастанова. Зарождение и рост островков: режимы зарождения при малых покрытиях, режим промежуточных покрытий, режим агрегации, режим коалесценции и перколяции.

6. Основы физической химии наносистем. Основные параметры, модели и объекты

Физическая химия наносистем. - основные понятия и представления. Параметры для описания физико-химии наносистем. Базовые модели нанообъектов.

7. Границы раздела фаз Особенности границ раздела.

Методы описания и модели границ раздела фаз. Процессы на поверхности: поверхностное натяжение, капиллярные явления.

4 семестр

8. Роль межфазных границ в формировании свойств наноматериалов
Методы роста тонких пленок: молекулярно-лучевая эпитаксия, твердофазная эпитаксия,
химическая лучевая эпитаксия. Эффекты самоорганизации: Режимы роста гетероэпитаксиальных структур. Рост наноструктур на фасетированных поверхностях. Трехмерные массивы когерентно напряженных островков при выращивании в режиме Странского - Крастанова. Поверхностные структуры плоских упругих доменов. Структуры с периодической модуляцией состава твердых растворов.

9. Квазиравновесие в наносистемах; устойчивость нанообъектов Термодинамические состояния наносистем. Квазиравновесие в наносистемах. Понятие об устойчивости нанообъектов. Критерии стабильности. Механизмы разрушений.

10. Поведение наночастиц при спекании

Спекание наночастиц. Механизмы спекания. Основные соотношения для скорости спекания

11. Кинетика процессов в наносистемах. Зависимость свойств от размера частиц

Объекты нанометрового масштаба и пониженной размерности. Классификация и методы получения нанокластеров и наноструктур.. Кинетические эффекты в гомоэпитаксии. Внутрислойный и межслойный массоперенос. Барьер Эрлиха — Швобеля. Рост за счет движения ступеней, послойный и многослойный рост. Эффекты механических напряжений при гетероэпитаксии.

12. Уравнения и характеристики условий термодинамической стабильности межфазных

границ в наносистемах

Межфазные границы в наномасштабах и их особенности. Уравнения и характеристики условий термодинамической стабильности межфазных границ в наносистемах.

13. Электронные свойства наночастиц

Особенности поведения электронов в наночастицах. Вклад электронов в термодинамические свойства наночастиц.

14. Особенности поверхностных процессов в микро - и наноструктурах: размерные

эффекты и фазовые переходы

Особенности поверхностных процессов в микро - и наноструктурах. Методы роста тонких пленок: молекулярно-лучевая эпитаксия, твердофазная эпитаксия, химическая лучевая эпитаксия. Эффекты самоорганизации: Режимы роста гетероэпитаксиальных структур. Рост наноструктур на фасетированных поверхностях.

15. Зародышеобразование, кластерообразование и формирование наноструктур

Понятие об образовании зародышей. Механизмы гомогенного и гетерогенного зародышеобразования. Формирование кластеров и наночастиц. Формировнаие сложных наноструктур.

16. Самоорганизация наноразмерных упорядоченных структур

Понятие о самоорганизации. Самоорганизация наноразмерных упорядоченных структур. Роль температурного фактора. Типы упорядоченных структур и их параметры.

4.2.2. Практические занятия

3 семестр

Механизмы роста на поверхности наноструктур

Устойчивость нанообъектов

4 семестр

Изучение термодинамической стабильности межфазных границ в наносистемах

Механизмы самоорганизации наноразмерных структур

4.3.  Лабораторные работы - не предусмотрены

4.4. Расчетные задания

3 семестр

Расчет поверхностных сил в жидкости и твердом теле

Вычисление скорости адсорбции и десорбции при изменении температуры

4 семестр

Расчет скорости спекания наночастиц

Расчет влияния наноразмеров на фазовые переходы

4.4.  Курсовые проекты и курсовые работы - не предусмотрены

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций и видео роликов. Презентации лекций содержат большое количество фотоматериалов. Выездные лекции-экскурсии в Институт общей физики РАН, Институт металлургии РАН и НИИ «Поиск» (6 часов).

Самостоятельная работа включает подготовку к тестам и контрольным работам, выполнение домашних заданий, оформление реферата и подготовку его презентации к защите, подготовку к зачету и экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,
ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются результаты выполнения домашних заданий, устные опросы, презентация реферата

Для промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины используются дифференцируемый зачет и экзамен в 3 семестре.

Оценка за освоение дисциплины - оценка на экзамене. В приложение к диплому вносится оценка за 4 семестр.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1.  Электронный конспект лекций по курсу "Физико-химия наночастиц и наноматериалов" - М: МЭИ, 2008.

2.  Электронный конспект лекций по курсу "Процессы роста и разрушения наноструктур" - М.: МЭИ, 2009.

3. «Основы криофизики конденсированных систем»: Учебное пособие/. - М.

МЭИ, 2006.

б) дополнительная литература:

1. «Наноматериалы»: Учебное пособие / , 2-е изд Изд. Бином. Лаборатория знаний, 2010.

2.  «Функциональные наноматериалы»: /Под ред. Издательство: Физматлит. 2010.

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

www. *****, www. mit. edu, www. *****, www. *****, www. *****

б) другие:

учебный фильм "Современные нанотехнологии», учебный фильм "Нанотехнологии и наноматериалы», видеофильм "Samsung Electronics - new materials", видеоролики по наноматериалам Массачусетского Технологического института, видеоматериалы южнокорейской компании Hanil по новым наноматериалам для светодиодного освещения.

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины используются учебные аудитории, снабженные мультимедийными средствами для представления презентаций лекций и показа учебных фильмов.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика» и профилю «Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

д. т. н., проф.

Дмитриев А. С.

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой низких температур

д. т.н., профессор