МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОУ ВПО Кемеровский государственный университет
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Декан физического факультета
доцент, к. х.н.,
_______________________
"_____"__________20___ г.
Рабочая программа дисциплины
Современные материалы
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Физическое материаловедение
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
Очная
Кемерово
2010
1. Цели освоения дисциплины
· Приобретение теоретической базы и практических навыков в области физики материалов, разработанных в последние годы для различных применений в науке и технике.
· Обзор и анализ свойств материалов в контексте используемых методов исследования:
· Спектрофотометрии активных и пассивных оптических материалов.
· Спектрометрии волноводных оптических систем, полученных различными физико-химическими методами.
· Нелинейной спектроскопии лазерных материалов.
· Оптической спектроскопии упорядоченных низкоразмерных структур.
2. Место дисциплины «Современные материалы» в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина входит в Профессиональный цикл ООП в качестве дисциплины вариативной части.
Данная дисциплина логически связана с такими дисциплинами и модулями профессионального цикла ООП, как: Модуль Общая физика, Введение в физику твердого тела, Экспериментальные методы в ФКС, Фотоника.
«Входные» знания, умения и готовности обучающегося, необходимые при освоении данной дисциплины и приобретенные в результате освоения предшествующих дисциплин: Физика конденсированного состояния, Введение в физику твердого тела, Модуль Общая физика, Модуль Математика.
Теоретические дисциплины, для которых освоение данной дисциплины необходимо как предшествующее: Квантовая теория, Электродинамика сплошных сред, Термодинамика, Физика конденсированного состояния.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Современные материалы»
В результате освоения дисциплины обучаемый должен знать, уметь и владеть компонентами курса, в соответствии с компетенциями:
· способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование (ПК-3)
Знать:
1. Принципы и режимы работы используемых экспериментальных установок (оптические спектрометры, лазерная техника). 2. Принципы и режимы пробоподготовки для оптической спектрометрии. 3. Основные принципы математических методов обработки получаемых спектральных данных.
Уметь:
1. Применять на практике методы получения и анализа материалов (оптических материалов, углеродных нанотрубок). 2. Выполнять исследования согласно выбранным методикам, наилучшим образом соответствующим поставленной задаче (измерение отражения, поглощения, рассеяния света материалом).
Владеть:
1. Ключевыми навыками работы в физико-химической лаборатории (регламенты, технологические маршруты, безопасность).
· способность использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин (ПК-4)
Знать:
1. Основные требования к лазерным материалам. 2. Основные требования к материалам интегральной оптоэлектроники. 3. Основные эффекты при взаимодействии оптического излучения видимого и инфракрасного диапазона с исследуемыми материалами. 4. Основные принципы ростовой, постростовой, технологической обработки активных и пассивных оптических материалов. 5. Следствия размерных эффектов при микро - и наноструктурировании материалов. 6. Строение и свойства углеродных материалов. 7. Производство и применение наноматериалов.
Уметь:
1. Различать оптические свойства активных и пассивных материалов. 2. Ориентироваться в номенклатуре и назначении физико-химических методов обработки материалов.
Владеть:
1. Данными об основных тенденциях в материаловедении, включая направления распределенных и квантовых систем.
· способность применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований (ПК-5)
Знать:
1. Различия в оптических методах исследования изотропных и анизотропных материалов. 2. Возможные различия в оптических свойствах материалов при фазовых и структурно-фазовых переходах. 3. Принципы суперпозиции и замещения свойств материалов в комплексных системах.
Уметь:
1. Различать и анализировать собственные и примесные свойства материалов. 2. Понимать принципы интегрирования физических свойств в кластерных и доменных структурах.
Владеть:
1. Навыками первичного анализа и сопоставления собственных полученных данных с информацией из специализированной литературы (включая профильные публикации в научной периодике).
· способность понимать и излагать получаемую информацию и представлять результаты физических исследований (ПК-10).
Знать:
1. Принципы построения отчета об экспериментальной (лабораторной) работе.
Уметь:
1. Формулировать и защищать выводы, сделанные на основании исследования.
Владеть:
1. Методикой подготовки отчета об исследовании, включая представление теоретических, экспериментальных и расчетных данных, а также графического материала.
4. Структура и содержание дисциплины «Современные материалы»
Общая трудоемкость дисциплины составляет: 5 зачетных единиц.
4.1. Объём дисциплины и виды учебной работы (в часах)
4.1.1. Объём и виды учебной работы (в часах) по дисциплине в целом
Вид учебной работы | Всего часов |
Общая трудоемкость базового модуля дисциплины | 5 зачетных единиц, 144 часа |
Аудиторные занятия (всего) | 90 |
В том числе: | |
Лекции | 36 |
Лабораторные работы | 54 |
Самостоятельная работа | 54 |
В том числе: | |
Подготовка к выполнению лабораторных работ | |
Подготовка к тестированию | |
Оформление отчетов по лабораторным работам | |
Самостоятельная работа с литературой (включая Интернет) по отдельным темам. | |
Вид промежуточного контроля | Тестирование по теоретической части, защита лабораторных работ |
Вид итогового контроля | Экзамен |
4.1.2. Разделы базового обязательного модуля дисциплины и трудоемкость по видам занятий (в часах)
№п/п | Раздел Дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Общая трудоёмкость (в часах) | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам) | |||
Учебная работа | В т. ч. активных форм | Самостоятельная работа | |||||||
всего | Лекции | Лабораторные | |||||||
1 | Лазерные материалы | 6 | 1-2 3-4 | 15 11 | 4 | 8 8 | 8 8 | 2 2 | Представление реферата Защита лабораторных работ |
2 | Материалы и методы интегральной оптоэлектроники | 6 | 3-4 5-8 | 4 22 | 4 | 16 | 16 | 4 | Представление реферата Защита лабораторных работ |
3 | Краткий обзор перспективных оптических материалов их приложений | 6 | 5-6 7-10 | 4 11 | 4 | 16 | 16 | 4 | Представление реферата Защита лабораторных работ |
4 | Углеродные материалы | 6 | 7-10 11-12 13-18 | 8 4 | 8 4 12 | 8 | 8 | 2 2 2 | Представление результатов поиска литературы. Защита лабораторных работ |
4 | Экзамен | 6 | 18 | 18 | Собеседование |
4.2 Содержание дисциплины «Современные материалы»
Содержание разделов базового обязательного модуля дисциплины
№ | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела дисциплины | Результат обучения, формируемые компетенции |
1 | Лазерные материалы | Характеристики материалов, используемых для генерации лазерного излучения. Пороговые условия усиления света. Ионы-активаторы. Конверсия “вверх” и “вниз”. Собственные и несобственные механизмы разрушения лазерных материалов. Оптическая прочность при непрерывном и импульсно-периодическом режиме генерации. Кристаллы соединений в системе Y2O3-Al2O3: Гранаты и перовскиты; Люминесцентные свойства: квантовый выход, тушители, методы оптимизации. Галлиевые гранаты: ростовые дефекты, разупорядочение, центры окраски. Фториды: ИЛФ, ЛИСАФ, ЛИКАФ. Александрит, корунд с титаном – материалы для перестраиваемых лазеров. Материалы для управления лазерным излучением. Кристаллы группы KDP; Иодат лития; Титанилфосфат калия; Бораты: структура, оптические свойства, методы получения, применения в нелинейных системах. Силикат и германат висмута (Bi12SiO20 и Bi12GeO20); ниобат бария-стронция; ниобат бария-натрия – нелинейные свойства, дефектная структура, применения. | ПК-4, Знать:1,3,4 Уметь:1 ПК-5, Знать:1,2,3 Уметь:1,2 |
2 | Материалы и методы интегральной оптоэлектроники | Монокристаллический кварц; Парателлурит (ТеO2); Молибдаты щелочноземельных металлов – рост, дефекты, свойства, применения в интегральной акустооптике. Волоконно-оптические датчики физических параметров: принципы построения и приложения. Кислородно-октаэдрические кристаллы: cтруктурные типы; фазовые переходы; дефекты структуры; макронеоднородности и двойникование; дислокации и пластичность; точечные дефекты и нестехиометрия; перенос заряда и электропроводность. Ниобат и танталат лития. Структурированные активные и пассивные оптические материалы. Регулярные доменные структуры (РДС). Методы получения РДС в объемных материалах и поверхностных слоях. Образование РДС во внутренних полях. Оптически индуцированные домены и методы их идентификации. Генерация оптических гармоник, параметрические процессы, переходное излучение в РДС.Активные и пассивные оптические волноводы. Методы получения диэлектрических волноводов: селективное травление, высокотемпературная диффузия, ионный обмен, ионная имплантация. Диффузионные процессы при ионном обмене H-Li в LiNbO3 и LiТаO3. Структурно-фазовые диаграммы. Введение допантов. Стабилизация электрооптических и нелинейно-оптических свойств. Объединение компонентов в интегрально-оптические схемы. | ПК-4, Знать:2,3,4,5 Уметь:2 ПК-5, Знать:1,2,3 Уметь:1,2 Владеть:1 |
3 | Краткий обзор перспективных оптических материалов их приложений | MEMS-системы: настоящее и будущее оптической сенсорики. Основные методы создания МЕMS-компонентов, применения. Активные полимерные фотокомпозиты и голограммные дисплеи с малым временем отклика. Фотовольтаические наносистемы и проблемы увеличения КПД солнечных батарей. Оптические метаматериалы. Гибридные оптические материалы кремниевой электроники, оптические матрицы – совмещение поколений материалов для обработки информации. Оптика квантовых наноструктур. Условия наблюдения квантоворазмерных эффектов. Структуры с низкоразмерным электронным газом. Сверхрешетки. Квантовые точки и Кулоновская блокада. Туннельные явления в низкоразмерных квантовых системах и приборы на их основе: транзисторы, лазеры и фотоприемники. Дисплеи QD-LED на квантовых точках. Представление кубитов на квантовых точках. | ПК-4 Знать:4,5 Владеть:1 ПК-5 Знать:3 Уметь:2 Владеть:1 |
4 | Углеродные материалы | Углеродные наноматериалы. Аллотропные формы углерода – «нано» и не «нано». Наноалмазы. Общие свойства наноформ углерода. Определение и классификация наноматериалов. Фулерены. История открытия, строение, свойства, методы получения. Графен. Теория строения. Образование структур. Стабильность. Механизмы роста. Электроннные и оптические свойства. Теория строения нанотрубок. Образование структур. Стабильность нанотрубок. Механизмы роста нанотрубок. Одностенные и многостенные нанотрубки. Способы соединения нанотрубок в более сложные структуры. Механизмы роста. Электроннные и оптические свойства. Методы очистки, разделения и функционализации свойств углеродных нанотрубок. Свойства гибридных и наполненных нанотрубок. Области применения наноматериалов. Композитные материалы. Молекулярная электроника. | ПК-4 Знать: 1-3,5-7 Уметь: 2 Владеть: 1 |
Содержание разделов лабораторного практикума дисциплины
№ | Наименование раздела дисциплины | Перечень лабораторных работ | Результат обучения, формируемые компетенции |
1 | Оптические материалы | Метод ионного обмена для получения высокопреломляющих слоев на поверхности оптических материалов. Знакомство с методами ионного обмена в приложении к кристаллическим и аморфным материалам. Исследование структурных свойств кристаллических материалов, модифицированных в приповерхностном слое методом ИК-спектрофотометрии. Определение типов и распределения кристаллических фаз в модифицированном слое на подложке монокристалла. Исследование структурных свойств кристаллических материалов, модифицированных в приповерхностном слое методом спектроскопии микро-КРС. Освоение метода получения спектров микро-КРС и извлечения информации о структурных нарушениях в приповерхностном слое материала. Исследование оптических свойств высокопреломляющих пленок методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Определение закона распределения показателя преломления по глубине пленки с помощью метода НПВО с лазерным возбуждением через различные элементы связи. Исследование спектра фотолюминесценции лазерного кристалла (ЛК). Определение частот линий люминесценции ЛК при конверсии “вверх”. Сопоставление спектра ФЛ со спектром поглощения. Отнесение переходов. Метод лазерной микромодификации материалов. Освоение методов прецизионной микромодификации материалов с помощью мощного лазерного излучения. | ПК-3 Знать:1-3 Уметь:1,2 ПК-5 Владеть:1 ПК-10 Знать:1 Уметь:1 Владеть:1 |
2 | Углеродные материалы | Получение углеродных нанотрубок CVD-методом. Исследование оптических и электрических свойств материалов на основе углеродных нанотрубок. | ПК-3 Знать:1-3 Уметь:1,2 Владеть:1 ПК-5 Владеть:1 ПК-10 Знать:1 Уметь:1 Владеть:1 |
5. Образовательные технологии
Лекции с демонстрацией примеров технических приложений (мультимедиа), интерактивные лабораторные работы, индивидуальные и групповые задания на лабораторных работах.
Лабораторные работы выполняются как научно-исследовательская работа группой студентов: проводится анализ проблемы, изучается соответствующая литература, ставится цель и задачи, осваивается экспериментальное оборудование, на котором будут проводиться исследования, проводятся исследования, подготавливается и защищается отчет.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа в объеме 54 часа.
Виды самостоятельной работы:
· Самостоятельная работа с описаниями лабораторным работам и инструкциями к оборудованию.
· Самостоятельная работа с литературой (включая Интернет) по отдельным темам теоретического раздела.
· Написание программ для обработки данных на языках программирования высокого уровня.
· Подготовка ответов на контрольные вопросы.
· Написание рефератов по темам.
Темы для рефератов:
Тематика рефератов предполагает подготовку небольших проектов, связанных с содержанием программы, но не освещаемых в лекционном курсе. Выполняются индивидуально.
1. Применение методов лазерной литографии в современном материаловедении.
2. Принципы самоорганизации низкоразмерных систем и их приложения.
3. Лазерная абляция и ее приложения.
4. Фотонные кристаллы и методы их получения.
5. Физические трансдьюсеры для биочипов.
Вопросы для промежуточной аттестации
1. Основные характеристики материалов, используемых для генерации лазерного излучения.
2. Пороговые условия усиления света в лазерных материалах.
3. Люминесцентные свойства лазерных материалов: квантовый выход, тушители, методы оптимизации.
4. Применение кристаллов соединений в системе Y2O3-Al2O3.
5. Галлиевые гранаты: ростовые дефекты, разупорядочение, центры окраски, применение.
6. Материалы для управления лазерным излучением. Нелинейно-оптические кристаллы.
7. Акустооптические материалы.
8. Основные типы волоконно-оптических датчиков, принципы их работы и приложения.
9. Фоторефрактивные материалы.
10. Регулярные доменные структуры (РДС). Методы получения РДС в объемных материалах и поверхностных слоях. Применения.
11. Активные и пассивные оптические волноводы. Методы получения диэлектрических волноводов.
12. Диффузионные процессы при ионном обмене H-Li в LiNbO3 и LiТаO3. Структурно-фазовые диаграммы.
13. MEMS-компоненты: основные методы создания, применения.
14. Фотовольтаические наносистемы: типы, методы и приложения.
15. Условия наблюдения квантоворазмерных эффектов. Структуры с низкоразмерным электронным газом.
16. Квантовые точки и Кулоновская блокада. Туннельные явления в низкоразмерных квантовых системах и приложения.
17. Аллотропные формы углерода.
18. Cвойства наноформ углерода.
19. Определение и классификация наноматериалов.
20. История открытия, строение, свойства и методы получения фулеренов.
21. Структура, стабильность, механизмы роста и свойства графена.
22. Строение нанотрубок.
23. Механизмы роста нанотрубок.
24. Свойства нанотрубок.
25. Области применения наноматериалов.
Задания для лабораторного практикума
1. Лаборатория ИК и КР-спектроскопии
1) Метод ионного обмена для получения высокопреломляющих слоев на поверхности оптических материалов.
Цель: Знакомство с методами ионного обмена в приложении к кристаллическим и аморфным материалам.
Приборы и материалы: Лабораторные весы WTW-2, ИО-реактор, высокотемпературная печь, вытяжной шкаф DWM-1, набор реактивов, полированная пластинка из аморфного или кристаллического материала, набор растворителей, лабораторный инструмент.
2) Исследование структурных свойств кристаллических материалов, модифицированных в приповерхностном слое методом ИК-спектрофотометрии.
Цель: Определение типов и распределения кристаллических фаз в модифицированном слое на подложке монокристалла.
Приборы и материалы: ИК-спектрофотометр Specord M80 с приставками отражения и поглощения; высокотемпературная печь; образец (H:LiNbO3, H:LiTaO3); набор растворителей; лабораторный инструмент.
3) Исследование структурных свойств кристаллических материалов, модифицированных в приповерхностном слое методом спектроскопии микро-КРС.
Цель: Освоение метода получения спектров микро-КРС и извлечения информации о структурных нарушениях в приповерхностном слое материала.
Приборы и материалы: Спектрометр ДФС-24 с приставкой для конфокальной “микро-Раман” спектроскопии; один из лазеров лаборатории; исследуемый образец (Cu:H:LiNbO3).
4) Исследование оптических свойств высокопреломляющих пленок методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).
Цель: Определение закона распределения показателя преломления по глубине пленки с помощью метода НПВО с лазерным возбуждением через различные элементы связи.
Приборы и материалы: лазеры лаборатории, гониометр ГС-5, лазерный интерферометр, образец (He+:Cu:H:LiNbO3), поляризаторы, набор растворителей; лабораторный инструмент; шлифмашина.
5) Исследование спектра фотолюминесценции лазерного кристалла (ЛК).
Цель: Определение частот линий люминесценции ЛК при конверсии “вверх”. Сопоставление спектра ФЛ со спектром поглощения. Отнесение переходов.
Приборы и материалы: Спектрофотометр СФ-26; спектрометр ДФС-24; один из лазеров лаборатории; исследуемый образец (YAP:Er).
6) Метод лазерной микромодификации материалов.
Цель: Освоение методов прецизионной микромодификации материалов с помощью мощного лазерного излучения.
Приборы и материалы: один из лазеров лаборатории, сканирующий нелинейно-оптический спектрометр “Z-scan”; образец.
2. Лаборатория углеродных наноматериалов
1) Получение углеродных нанотрубок CVD-методом.
Цель: Знакомство с CVD - методами синтеза в приложении к углеродным материалам.
Приборы и материалы: CVD-реакторы (2 шт.), набор реактивов и газов.
2) Исследование оптических и электрических свойств материалов на основе углеродных нанотрубок.
Цель: Исследование проводимости сеток нанотрубок в зависимости от размеров электронных свойств трубок на основе оптических спектров поглощения и КР-спектров.
Приборы и материалы: 4-х зондовый измеритель электрического сопротивления с 3-D представлением диаграмм исследуемых материалов, сетки углродных нанотрубок, спектрометр ДФС-24 с приставкой для конфокальной “микро-Раман” спектроскопии.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Современные материалы»
а) основная литература:
А. Ярив, П. Юх, Оптические волны в кристаллах, М.:Мир, 1987. Основы фотоники, Интеллект, 2008 Шандаров физической и квантовой оптики, ТУСУР, 20с. , , Золотаревский оптико-электронных измерений в фотонике, Логос, 2004, 496 с. Современная оптика и нанофотоника, Интеллект, 2008 Астапенко основы фотоники, М.:МФТИ, 2005, 104 с. Раутиан в физическую оптику, - М.: Либроком, 2009, 256 c. Волноводная оптоэлектроника / Под ред. Т. Тамира.- М.: Мир, 1991, 575 с. , Никитин оптика, М.:МГУ, 19с.. Оптическая бистабильность. Управление светом с помощью света. М.: Мир, 19с.. , Тарасов нелинейная оптика. М.: Физматлит, 20с. и др. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике. СПб.: Наука, 19с. и др. Управляемые оптические системы. М.: Наука, 19с. Шен нелинейной оптики. М.: Мир, 1989. Введение в оптическую электронику. - М.: Высш. шк., 19с. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Техносфера, 2005. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2004. Раков и фуллерены. М.: Университетская книга, Логос, 2006. . УФН 1997 Т.167.- №9.- С. 945-972; 2002 Т.172.- №4.- С. 401-438; 2004 Т.174.- №11.- С. ; 2007 Т.177.- №3.- С. 233-274; 2009 Т.179.- №3.- С. 225-242.б) дополнительная литература:
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. Программа «Origin 8.0» (Microcalc corp.) демо-версия.
2. Программа OpenOffice. Write пакета OpenOffice Pro 3.0 (Свободная лицензия).
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Современные материалы»
1. Лаборатория ИК - и КР-спектроскопии: Спектрометры и спектрофотометры ДФС-24, ДФС-12, Specord M80, ИКС-29, CФ-26, гониометры ГС-5 (2 шт); нелинейно-оптический спектрометр “Z-scan”; лазерный интерферометр; компьютеры IBM PC (2 шт.); наборы оптических компонентов; вытяжной шкаф; наборы реактивов и материалов.
2. Лаборатория углеродных наноматериалов: CVD-реакторы, 4-х зондовый измеритель электрического сопротивления с 3-D представлением диаграмм исследуемых материалов, ПК (2 шт.).
3. Дисплейный класс ауд. №1ПК: Cel 2,4/256 Mb/80 Gb/FDD/17”TFT/опт. мышь;, INTERNET).
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки 011200 ФИЗИКА и профилю Физическое материаловедение.
Авторы: , зав. КЭФ, доцент, к. ф.-м. н.
доцент КЭФ, к. ф-м. н.
Рецензент: , декан ФФ, доцент, к. х.н.
Рабочая программа дисциплины
обсуждена на заседании кафедры
Протокол № | от « | » | 201 | г. |
Зав. кафедрой ________________________ Ф. И. О
(подпись)
Одобрено методической комиссией факультета
Протокол № | от « | » | 201 | г. |
Председатель ________________________ Ф. И. О
(подпись)
