Рабочая программа дисциплины «Физика поверхности и тонких плёнок»

Рабочая программа учебной дисциплины Физика поверхности и тонких плёнок

УТВЕРЖДАЮ

Проректор-директор ФТИ

_____________

«____»______________ 2011г.

Рабочая программа дисциплины

Физика поверхности и тонких плёнок

Направление ООП подготовки магистров 011200 «Физика»

Профиль подготовки «Физика конденсированного состояния»

Квалификация (степень) магистр

Базовый учебный план приема 2011 г.

Курс I семестр I

Количество кредитов 3

Пререквизиты: Общая физика, физика твёрдого тела, химия

Кореквизиты: Основы плазменных и радиационных технологий, получение и применение пучков заряженных частиц, плазменные покрытия

Виды учебной деятельности и временной ресурс:

Лекционные занятия 18 час.

Практические занятия 36 час.

Аудиторные занятия 54 час.

Самостоятельная работа 72 час.

Итого 126 час.

Форма обучения очная

Вид промежуточной аттестации экзамен

Обеспечивающее подразделение кафедра ВЭПТ ФТИ

Заведующий кафедрой ВЭПТ

Руководитель ООП

Преподаватель

2011 г.

1. Цели освоения дисциплины

Познакомить студентов с основами теории поверхности твёрдого тела и тонких плёнок. Сформировать знания о физике явлений, происходящих при образовании и эволюции поверхностей, физике их взаимодействия с окружающей средой, свойствах тонких плёнок и других наноразмерных твёрдотельных образований. Это позволит им осознать большую значимость процессов на поверхности твёрдого тела для технологий плазменного модифицирования материалов, роли поверхностных процессов в задачах водородной энергетики и в других сферах деятельности.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Физика поверхности и тонких плёнок» относится к циклу профессиональных дисциплин основной образовательной программы.

Для освоения данной дисциплины необходимо иметь степень бакалавра физики и владеть знаниями по общей физике, химии и физике твердого тела.

Пререквизиты: курс предназначен для студентов, прослушавших курсы общей физики, физики твёрдого тела, химии.

Кореквизиты: параллельно с данной дисциплиной могут изучаться курсы основы плазменных и радиационных технологий, получение и применение пучков заряженных частиц, плазменные покрытия.

3. Результаты освоения дисциплины

В результате освоения дисциплины студент должен:

знать:

- методы исследования структуры, состава и физических свойств поверхности и тонких пленок;

- методы получения  полупроводниковых сверхтонких пленок;

- механизмы формирования наноразмерных структур;

- особенности формирования эпитаксиальных наноразмерных структур;

- процессы на поверхности твердых тел;

- теоретические основы зарождения и роста пленок.

- физическую сущность процессов, протекающих в проводящих, полупроводниковых, диэлектрических, магнитных материалах и в структурах, созданных на основе этих материалов, в том числе и при воздействии внешних полей и изменении температуры.

- современные тенденции в развитии физики твёрдого тела и полупроводников, приборов и устройств на их основе;

иметь представление о квантовых цепочках, нитях, точках;

уметь:

-  решать материаловедческие задачи,

-  выполнять количественные оценки величины эффектов и характеристических параметров с учётом особенностей кристаллической структуры, электронного и фононного спектров, типа и концентрации легирующих примесей;

-  самостоятельно осваивать и грамотно применять результаты новых экспериментальных и теоретических исследований в области физики твёрдого тела и полупроводников;

-  самостоятельно выбирать методы и объекты исследований;

владеть:

-  стандартной терминологией, определениями и обозначениями;

-  методами обоснованного выбора исследовательского оборудования, оценкой эффективности его работы и адекватности поставленной конкретной задаче;

-  анализом и оценкой полученных результатов и аргументацией для подтверждения сделанных на их основе выводов и принятых решений;

- рациональными методами анализа и обработки научно-технической информации.

В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:

Универсальные (общекультурные):

1. Готовность эффективно работать самостоятельно в качестве члена команды по междисциплинарной тематике, быть лидером в команде.

2. Понимать необходимость самостоятельного обучения и повышения квалификации в течение всего периода профессиональной деятельности.

Профессиональные:

1. Способность проявлять глубокие профессиональные знания основ теории поверхности твёрдого тела и тонких плёнок.

2. Готовность к самостоятельной работе по решению материаловедческих задач различного уровня сложности.

3. Способность к дальнейшему освоению результатов новых экспериментальных и теоретических исследований в области физики твёрдого тела и полупроводников.

4. Структура и содержание дисциплины

Содержание теоретического раздела дисциплины:

1.  Введение. Задачи курса. Взаимодействие атомов в твёрдом теле. Явления на поверхности твёрдого тела. (2 часа).

2.  Структура поверхности и структурные дефекты. Сорбционные процессы. (4 часа).

3.  Объёмная диффузия вблизи поверхности и поверхностная диффузия. Электронные свойства поверхности. (4 часа).

4.  Рост тонких плёнок. Эпитаксиальный рост тонких плёнок. Методы осаждения тонких плёнок из паровой фазы. (4 часа).

5.  Атомные манипуляции и формирование наноструктур. Физические методы исследования состояния поверхности. (4 часа).

Содержание практического раздела дисциплины:

1.  Метод расчета кристаллической структуры твердого часа).

2.  Модель террас, ступеней и изломов (4 часа).

3.  Метод расчета коэффициента поверхностной диффузии (4 часа).

4.  Метод расчета толщины наносимых пленок (4 часа).

5.  Метод расчета наноразмерных структур. (4 часа).

6.  Тест по теме «Взаимодействие атомов в твёрдом теле. Явления на поверхности твёрдого тела» (2 часа).

7.  Тест по теме «Структура поверхности и структурные дефекты. Сорбционные процессы» (2 часа).

8.  Тест по теме «Объёмная диффузия вблизи поверхности и поверхностная диффузия. Электронные свойства поверхности» (2 часа).

9.  Тест по теме «Рост тонких плёнок. Эпитаксиальный рост тонких плёнок. Методы осаждения тонких плёнок из паровой фазы» (2 часа).

10.  Тест по теме «Атомные манипуляции и формирование наноструктур. Физические методы исследования состояния поверхности» (2 часа).

11.  Семинарское занятие, посвященное обзору проблемы нанесения тонкопленочных покрытий (выступления студентов с докладами по темам подготовленных рефератов) (6 часов).

Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения

Название раздела/темы	Аудиторная работа (час.)	СРС (час)	Защита рефератов	Итого
Лекции	Практ. занятия	Лабор. занятия
Введение. Задачи курса. Взаимодействие атомов в твёрдом теле. Явления на поверхности твёрдого тела.	2	6		12		20
Структура поверхности и структурные дефекты. Сорбционные процессы.	4	8		14		26
Объёмная диффузия вблизи поверхности и поверхностная диффузия. Электронные свойства поверхности	4	8		14		26
Рост тонких плёнок. Эпитаксиальный рост тонких плёнок. Методы осаждения тонких плёнок из паровой фазы	4	8		16		28
Атомные манипуляции и формирование наноструктур. Физические методы исследования состояния поверхности	4	6		16		26
Итого	18	36	0	72	0	126

5. Образовательные технологии

Лекционный материал данного курса представлен в программе для создания презентаций Microsoft PowerPoint. Презентации лекций содержат цветные иллюстрации для лучшего усвоения теоретического материала.

6. Организация и учебно-вспомогательное обеспечение

самостоятельной работы студентов

Текущая самостоятельная работа студентов включает в себя:

- проработку лекционного материала, обзор литературы и электронных источников информации индивидуально заданной проблеме курса;

- опережающую самостоятельную работу;

- перевод текстов с иностранных языков;

- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;

- подготовка доклада по темам рефератов и экзамену.

Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа:

- поиск, анализ, структурирование и презентация информации;

- исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях;

- развитие навыков работы с оригинальной научной литературой, систематизации и анализа получаемых знаний.

Оценка результатов самостоятельной работы происходит по результатам выполнения проверочных работ, ответов на дополнительные вопросы при защите реферата.

7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины

Оценка текущей успеваемости происходит по результатам проверочных работ по лекционному материалу и защите реферата по заданной тематике.

Проверочная работа представляет собой вопросы по теоретическому материалу курса:

1. Кристаллическая структура твердого тела. Решетки Браве. Индексы Миллера. Пример простого кристалла.

2. Атомная структура чистых поверхностей: Релаксация и реконструкция. Модель террас-ступеней-изломов. Дефекты на поверхности.

3. Явление адсорбции. Физосорбция и хемосорбция. Кинетика адсорбции.

4. Явление десорбции. Кинетика десорбции.

5. Объёмная диффузия вблизи поверхности: Механизмы диффузии. Первый закон Фика.

6. Виды эмиссии электронов и работа выхода.

7. Механизмы роста тонких плёнок.

8. Механизмы роста гетероэпитаксиальных пленок.

9. Принцип метода молекулярно-лучевой эпитаксии.

10. Методы осаждения тонких плёнок из паровой фазы.

11. Атомные манипуляции с помощью СТМ для формирования наноструктур.

12. Сканирующая электронная микроскопия. Принцип метода и его возможности.

13. Сканирующая туннельная микроскопия. Принцип метода и его возможности.

14. Атомно-силовая микроскопия. Принцип метода и его возможности.

15. Электронная спектроскопия. Методы и возможности.

16. Ионная спектроскопия. Методы и возможности.

Примерные темы рефератов:

1.  Влияние поверхности на работу полупроводниковых приборов.

2.  Природа поверхностных электронных состояний.

3.  Магнитные тонкие пленки.

4.  Поверхностное натяжение жидкости. Капиллярные явления.

5.  Этапы развития физики поверхности.

6.  Рентгеновская дифракция при скользящем падении лучей.

7.  Теоретические расчеты кристаллографии поверхности.

8.  Оптические свойства поверхности.

9.  Молекулярно-лучевая эпитаксия.

10.  Поверхностная сегрегация.

11.  Поверхностные свойства: Контактный потенциал и работа выход.

Оценка итоговой аттестации происходит по результатам сдачи экзамена. Экзаменационные билеты содержат вопросы по теоретическому материалу курса и дополнительные вопросы из практической части курса.

8. Рейтинг качества освоения дисциплины

Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам (80 баллов – текущая оценка в семестре, 20 баллов – промежуточная аттестация в конце семестра).

Рейтинг-план освоения дисциплины в течение семестра

Недели	Текущий контроль
Теоретический материал	Практическая деятельность	Итого
Разделы	Вопросы	Баллы	Разделы	Баллы	Баллы
1	Взаимодействие атомов в твёрдом теле. Явления на поверхности твёрдого тела.	Тест 1	8	Метод расчета кристаллической структуры твердого тела	8	16
2	Структура поверхности и структурные дефекты. Сорбционные процессы.	Тест 2	8	Модель террас, ступеней и изломов	8	16
3	Объёмная диффузия вблизи поверхности и поверхностная диффузия. Электронные свойства поверхности.	Тест 3	8	Метод расчета коэффициента поверхностной диффузии	8	16
4	Рост тонких плёнок. Эпитаксиальный рост тонких плёнок. Методы осаждения тонких плёнок из паровой фазы.	Тест 4	8	Метод расчета толщины наносимых пленок	8	16
5	Атомные манипуляции и формирование наноструктур. Физические методы исследования состояния поверхности.	Тест 5	8	Метод расчета наноразмерных структур	8	16
Сумма баллов в семестре	40		40	80

9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

Основная литература:

1.  , Введение в физику поверхности. - М.: Наука, 2006, - 490 с.

2.  , , Филаретов напыление плёнок в квазизамкнутом объёме. - М.: Сов. Радио, 1975, - 160 с.

3.  Трушин материаловедение. — СПб.: Наука, 2000, 286 с.

4.  С, Киреев низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. М., «Энергоатомиздат», 1987, 264 с.

5.  , Е., Куракин пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. М., «Энергоатомиздат», 1987, 184 с. с илл.

6.  Пичугин поверхности и гонких плёнок. Томск: Издательство «Ветер», 2007.-140 с.

7.  , , Титов основы электронной и ионной технологии. М., «Высшая школа», 1984, 320 с.

8.  , , Фомииский и лазерная имплантация металлических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1991, 240 с.

9.  Химическая физика поверхности твердого тела. – М.: Мир, 1980. – 486 с.

10.  , Репинский на поверхности твердых тел. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2003. – 700 с.

Дополнительная литература:

11.  K. Oura, V. Lifshits, A. Saranin, A. Zotov, M. Katayama. Surface Science. An introduction. Springer, 2003, – 460 p.

12.  Новое в исследовании поверхности твердого тела / Под ред. Джайадевайа и Ванселова. – М.: Мир.

13.  Naumovets A. G., Zhenyu Zhang, Surf. Sci. – 2001.

14.  Bonzel H. P., Gjostain N. A.-J. Appl. Phys. – 1968, v.39, – 3480 p.

15.  Swartzentruber B. S., Phys. Rev. Let., v.76, N3. – 1996, p 459 – 462.

16.  Yasunaga and A. Natori Surf. Sci. Reports. – 1992, 15, p. 205 – 280.

17.  Kellog G. L., Feibelman P. J. Phys. Rev. Lett. 64. – 1990. – 3143 p.

18.  Yu. L. Gavrilyuk, Yu. S. Kaganovskii and V. G. Lifshits, Kristallografia, [Sov. Phys. Cryst., 26, 3

19.  Keeffe M. E., Umbach C. C. and Blakely J. M., J. Phys. Chem. Solids, 55, 9

20.  Webb M. B., Men F. K., Swartzentruber B. S., Kariotis R. and Legally M. G. Surf. Sci.

21.  W. Seith. Diffusion in Metallen, Springer-Verlag. – 1955.

22.  A. G. Naumovets, Y. S.Vedula, Surface diffusion of adsorbates, Surf. Sci. Rep

23.  Gomer R., Diffusion of adsorbates on metal surfaces, Rep. Progr. Phys.

24.  Kellog G. Field ion microscope studies of a single atom surface diffusion and cluster nucleation on metal surfaces, Surf. Sci. Rep. 21. – 1994. 1.

25.  Tsong T. Atomic, molecular and cluster dynamics on flat and stepped surfaces, Progr. Surf. Sci.

26.  Mo Y. W. Direct determination of surface diffusion by displacement distribution measurement with scanning tunneling microscopy, Phys. Rev. Lett.

27.  Erlich G. Diffusion of individual adatoms, Surf. Sci. 299/3

28.  E. G.Seebauer and C. E.Allen. Estimating surface diffusion coefficients. Progr. Surf. Sci. v.49, N3. – 1995. p. 265 – 330.

ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ

http://www. *****/book_ph_poverhn. htmlhttp://www. *****/book_nano. html http://www. *****/book/preview/5ECCD6EB929E4D8CB55D5496A5798DF2 http://www. *****/courses/surface/

http://*****

http://journals. *****/ftt/

10. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Практическая составляющая данного курса осуществляется в компьютерном классе кафедры ВЭПТ, оснащенном необходимым программным обеспечением и доступом в интернет.

Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки магистров 011200 «Физика».

Программа одобрена на заседании кафедры ВЭПТ

(протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).

Автор доцент каф. ВЭПТ, к. т.н.

Рецензенты доцент каф. ВЭПТ, к. ф.-м. н

профессор каф. ВЭПТ, д. ф.-м. н.