Рабочая программа дисциплины Получение, свойства и применение наночастиц

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Физический факультет

УТВЕРЖДАЮ

Декан

_______________________

"_____"__________20___ г.

Рабочая программа дисциплины

Получение, свойства и применение наночастиц.

Направление подготовки

011200 Физика

Профиль подготовки

Физическое материаловедение

Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр

Форма обучения

Очная

Кемерово

2010

Цели освоения дисциплины. В конце прошлого столетия достижения науки и технологий ярко продемонстри-ровали успехи и возможности, которые были получены и предполагается полу-чить, используя свойства вещества в нанометровом диапазоне. Сборка атомов и молекул на нанометровых расстояниях, происходящая в живой природе, в про-мышленных изделиях может привести к совершенно новым результатом. В про-мышленно развитых странах Запада нанобум начался в самом начале нашего столетия. Анализ научной периодики показывает, что мир вступает в эпоху нанореволюции, что может затмить по последствиям компьютерную революцию прошлого столетия. В этой связи необходима экстренная программа ознакомления и обучения основам нононауки и нанотехники на всех ступенях образования – от школьного до вузовского и послевузовского. Настоящий курс посвящен динамично развивающемуся разделу фотоники – наноплазмонике.

Наноплазмоника — это составляющая часть нанооптики, то есть оптики на нанометровых масштабах. Предметом наноплазмоники являются оптические свойства металлических частиц и наноструктур, которые обусловлены колебаниями электронов проводимости относительно кристаллической решетки. Важность наноплазмоники обусловлена, прежде всего, двумя факторами. Во-первых, благодаря присутствию пространственного наномасштаба вещества может происходить локализация и усиление оптических полей (эффект светящегося острия). Во-вторых, так уже сложилось в природе, что металлические наночастицы обладают собственными колебаниями с частотами в оптической области, от ультрафиолетового до инфракрасного диапазонов. Одновременное существование этих особенностей металлических наночастиц обуславливает интересную и сложную физику, которая является основой для многих приложений. В конце 20—начале 21 веков усилился интерес к оптике металлических наночастиц, что связано с тем, что современные нанотехнологии позволяют синтезировать и изготовлять наночастицы фактически произвольной формы и состава, а также детально характеризовать свойства отдельных наночастиц и наноструктур, предсказывать и оптимизировать свойства наночастиц и основанных на них наноустройств. Практически полный контроль над формами наночастиц позволяет говорить о полном контроле над их оптическими свойствами, в первую очередь, над их спектрами. Такая настраиваемость плазменных наночастиц позволяет обеспечивать их эффективное взаимодействие со светом, между собой и с обычными атомами и молекулами. Существует также целый ряд идей, как на основе плазменных наночастиц и наноструктур можно создать полностью интегрированные оптоэлектронные наноустройства, в которых нанометровые размеры отдельных элементов совмещены с оптическими частотами их функционирования. Именно оптические частоты позволяют надеяться на существенное увеличение быстродействия компьютеров, процессоры которых уже имеют отдельные элементы нанометровых размеров, но частоты функционирования на 5 порядков меньше оптических частот.

Во всех рассматриваемых приложениях важную роль играют как поверхностные плазмоны (распространяющиеся по поверхности раздела «металл-диэлектрик», так и локализованные плазмоны, которые связаны с колебаниями электронов проводимости в наночастицах. Физике этих процессов будет уделено основное внимание в данном курсе. Таким образом, целью данной дисциплины является

В связи с этим, в данном курсе предусматривается систематическое описание свойств и применений плазменных колебаний в наночастицах с целью формированию у студентов следующих общепрофессиональных компетенций:

- Освоения основ нанотехнологий, основных идей и подходов получения плазмонных наночастиц, а также существующих и перспективных разработок их использования.

- Овладение основными методами анализа и аттестации плазмонных наночастиц и наноструктур на их основе.

- Получить практические навыки в области получения и исследования наночастиц и наноструктур.

- Сформировать способность использовать физико-химические подходы при прогнозировании области применения плазмонных наночастиц.

- Умение получать и анализировать экспериментальные данные физико-химических экспериментов, проводить математическое моделирование процессов и свойств на базе стандартных пакетов исследований.

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата:

Дисциплина входит в профессиональный цикл ООП в качестве дисциплины по выбору (Б.3.ДВ 4).

Данная дисциплина логически и содержательно взаимосвязана с такими дисциплинами и модулями ООП, как: Экспериментальные методы в физике конденсированного состояния, Введение в физику твердого тела. Введение в нанотехнологии. Современные материалы.

«Входные» знания, умения и готовности обучающегося, необходимые при освоении данной дисциплины и приобретенные в результате освоения предшествующих дисциплин: Модуль Математика, Квантовая теория, Физика атома и атомных явлений. Введение в физику твердого тела.

Теоретические дисциплины, для которых освоение данной дисциплины необходимо как предшествующее: Модуль Общая физика, модуль Теоретическая физика, Математика, Квантовая теория, Физика атома и атомных явлений. Введение в физику твердого тела. Введение в нанотехнологии.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины:

В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции: способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование (ПК-3)

В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:

Способность применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований (ПК-5):

Знать:

1. Какие модели используются для анализа взаимодействий металл - лиганд? Типы адсорбции и зависимость от потенциалов ионизации, электронного сродства, работы выхода, энергии Ферми, концентрация носителей заряда.

2. Причины зависимости оптических спектров наночастиц от размеров.

3 Основные реакции при химическом восстановлении в процессе получении наночастиц металлов.

4. Основные методы стабилизации наночастиц. Методы определения размеров наночастиц.

5. Установки для получения наночастиц с применением различных химических методов. Механизмы конденсации при осаждении веществ на холодные поверхности.

6. Методы управления размером и формой наночастиц?

7. Причины изменения физико-химических свойств при умень­шении размеров наночастиц.

8. Уравнения Максвелла и распространение электромагнитных волн.

9. Связь между диэлектрической и магнитной восприимчивостью и проницаемостями.

10. Модель Друде – Лоренца для электропроводности металлов.

11. Время релаксации и время свободного пробега носителей заряда.

12. Материальные уравнения, связывающие поляризации и напряженности полей в метаматериалах.

13. Определение оптических констант.

14. Решения уравнений Максвелла для поперечных и продольных волн при наличии пространственной дисперсии.

15. Понятия продольной и поперечной диэлектрической проницаемости.

16. Теорию Друде – Зоммерфельда оптических свойств металлов.

17. Понятия: действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости. Коэффициент поглощения.

18. Понятия: толщина скин – слоя, средняя длина свободного пробега электрона, скорость Ферми.

19. Пределы применимости теория Друде – Зоммерфельда на примере благородных металлов.

20. Уравнения теория Друде – Зоммерфельда с учетом межзонных переходов.

21. Диэлектрическая проницаемость малых частиц.

22. Теорию дисперсии в газе свободных электронов: объемные продольные и поперечные плазмоны.

23. Теорию поверхностных плазмонов.

24. Методы возбуждения и наблюдения поверхностных плазмонов.

25. Теорию плазменных колебаний в наночастицах.

26. Методы решения уравнений Максвелла.

27. Оптические свойства сферических наночастиц и наносистем.

28. Методы расчета оптических констант по экспериментальным данным.

28. Методы расчет концентрации электронов, коэффициента затухания и объемной доли наночастиц.

29. Терапия и визуализация опухолей с помощью наночастиц.

30. Биосенсоры на поверхностных и локализованных плазмонах.

31. Элементная база для интегральных схем на плазмонах.

32. Покрытия невидимки на основе плазмонных материалах.

Уметь: 1. Решать прямую и обратную задачу электронографии. 2. Проводить пробо-подготовку объектов для исследований. 3. Рассчитывать оптические свойства сферических наночастиц.. 4. Вести расчет концентрации электронов, коэффициента затухания и объемной доли наночастиц по экспериментальным данным. 5. Проводить исследование свойств различных материалов с использованием физических и физико-химических методов исследований, компьютерного моделирования, современных информационных технологий и ресурсов, разрабатывать технологии производства новых материалов. 6. Составлять и оформлять научно-техническую документацию, научные отчеты, обзоры, доклады и статьи.

Владеть: 1. Методиками подготовки объектов для исследований. 2. Владеть инструментальными методами исследования свойств материалов в дисперсном состоянии. 3. Навыками работы на вакуумных установках, электронном микроскопе, спектрофотометре, РФЭС.

Способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование (ПК-3)

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать: 1. Физические принципы работы приборов и установок для получения и исследования свойств наночастиц металлов. 2. Основы вакуумной техники. 3. Методы определения размеров наночастиц.

Уметь: 1. Получать наночастицы методом термического и фотохимического разложения.

2. Получать наночастицы методом испарения и конденсации. 3. Получать наночасти -

цы методом восстановления из растворов. 4. Работать с вакуумными установками

ВУП-4 и ВУППланировать эксперимент и вести синтез наночастиц на экспериментальных установках.

Владеть: 1. методиками подготовки объектов для металлографического и электронно-микроскопического анализа. 2. Владеть инструментальными методами исследования структуры металлов и сплавов. 3. . Навыками работы на вакуумных установках, электронном микроскопе, спектрофотометре, РФЭС.

4. Структура и содержание дисциплины (модуля)

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 час.

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	3 зачетные единицы, 108 час
Аудиторные занятия (всего)	54
В том числе:
Лекции	18
лабораторные работы	36
Самостоятельная работа	54
В том числе:
Подготовка к выполнению лабораторных работ
Подготовка к тестированию
Оформление отчетов по лабораторным работам
Вид контроля	Зачет. Защита лабораторных работ

4.1.2. Разделы базового обязательного модуля дисциплины и трудоемкость по видам занятий (в часах)

№ п/п	Раздел Дисциплины	Семестр	Неделя семестра	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)	Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам)
Лекции	Лабораторные работы	В т. ч. активных форм	Самостоятельная работа
1	Современные методы получе-ния плазмонных наночастиц металлов. Физико – химичес-кие принципы и достижения.	8	1-4	4	8		9	Защита лабораторных работ
2	Введение в электродинамику металлов. Плазмонные колеба-ния в наночастицах.	8	5-10	6	12		18
3	Оптические свойства наночас-тиц благородных, переходных металлов и систем на их основе.	8	10-13	4	8		18	Защита лабораторных работ
4	Приложения наноплазмоники.	8	14-17	4	8		9
5	Зачет	8						Тест, собеседование

4.2 Содержание дисциплины «Физическое металловедение»

Содержание разделов лекционного курса дисциплины

№	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела дисциплины	Результат обучения, формируемые компетенции
1	Современные мето-ды получения плаз-монных наночастиц металлов. Физико – химические прин-ципы и достижения.	Современные методы получения плазмонных наночастиц металлов и систем на их основе. Физико-химические принципы и достижения. Химические реакции в твердых телах. Методы нанохимии. Газофазный синтез. Нанолитографические способы производства металлических наночастиц и наноструктур. Термическое испарение и осаждение на кристаллические и аморфные поверхности подложек. Формирование произвольных трехмерных наноструктур.	ПК – 3 Знать: 1,2,3, Уметь:1-5 Владеть: 1-3
2	Введение в электро-динамику металлов. Плазмонные колеба-ния в наночастицах.	Введение в электродинамику металлов. Уравнения Максвелла и распространение электромагнитных волн. Теория Друде-Зоммерфельда оптических свойств металлов. Оптические свойства реальных металлов. Диэлектрическая проницаемость малых частиц. Дисперсия в газе свободных электронов и объемные плазмоны. Физика поверхностных плазмонов. Двумерные поверхностные плазмоны. Плазмоны на плоской границе раздела «металл диэлектрик». Поверхностные плазмоны в слоистых средах. Одномерные поверхностные плазмоны в металлических проволоках круглого сечения. Возбуждение поверхностных плазмонов. Метод полного внутреннего отражения. Метод поверхностной дифракционной решетки. Исследование поверхностных плазмонов. Плазмонные колебания в наночастицах. Решения уравнения Максвелла для частиц произвольной формы и наночастиц. Аналитические решения уравнений Максвелла в рамках e - метода.	ПК – 5 Знать: 8-26 Уметь: 1-6 Владеть: 1-3
3	Оптические свойства наночас-тиц благородных, переходных металлов и систем на их основе. на их основе.	Оптические свойства наночастиц благородных, переходных металлов и систем на их основе. Основные положения теории Ми. Оптические свойства дисперсных систем. Формулы Ми, ван де Хюлста и Ганса для поглощения света изолированными частицами. Диэлектрическая проницаемость композитной среды. Формулы Максвелла-Гарнета и Хампе. Экспериментальные результаты предыдущих и последних лет.	ПК –5 Знать: 20-28 Уметь: 1-6 Владеть: 1-3
4	Приложения наноплазмоники	Терапия и визуализация опухолей. Биосенсоры на поверхностных плазмонах. Элементная база для электроники. Плазмонные покрытия. Перспективы применения плазмонных наночастиц металлов в синтезе новых веществ, медицине, наноэлектронике, оптике, полупроводниковой технике, биологии.	ПК –5 Знать: 29-32

Содержание разделов лабораторного практикума дисциплины

№	Наименование раздела дисциплины	Перечень лабораторных работ	Результат обучения, формируемые компетенции
1	Методы получения плазмонных и иссле-дования наночастиц металлов. Физико – химические прин-ципы и достижения.	1. Синтез монодисперсных наночастиц благородных, переходных металлов разных форм и размеров методом восстановления. 2. Синтез монодисперсных наночастиц благородных, переходных металлов разных форм и размеров методом осаждения из газовой фазы. 3. Исследование полученных наночастиц методом просвечивающей электронной микроскоп. 4. Исследование полученных наночастиц методом структурного анализа.	ПК-5 Владеть: 1-7. ПК – 3 Знать: 1,2,3. Уметь:1-5 Владеть: 1-3.
2	Оптические свой-ства наночастиц благородных, пере-ходных металлов и систем на их основе.	5. Исследование полученных наночастиц методом сканирующей туннельной микроскопии. 6. Исследование полученных наночастиц оптическими методами. 7. Исследование полученных наночастиц методом рентгено-фотоэлектронной спектроскопии. 8. Исследование полученных наночастиц методом дифракции рентгеновских лучей.	ПК-5 Знать:19-28. Уметь:1-6 Владеть:1-3. ПК –3 Знать:3. Уметь:1-5 Владеть:1,23

5. Образовательные технологии

Мультимедийные лекции (100% часов), ряд лабораторных работ выполняется 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, пишется отчет и работа защищается. Защита проводится в форме доклада с презентацией. Используются также индивидуальные задачи на лабораторных работах, контрольные работы в виде тестов по теоретической части курса.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Контрольные вопросы

1. Какие модели используются для анализа взаимодействий металл - лиганд?

2. Объясните причины зависимости оптических спектров наночастиц от размеров.

3 Основные реакции при химическом восстановлении в процессе получении наночастиц металлов.

4. Основные методы стабилизации наночастиц.

15. Механизмы конденсации при осаждении веществ на холодные поверхности.

5. Установки для получения наночастиц с применением различных химических методов.

6. Методы управления размером и формой наночастиц?

7. Причины изменения физико-химических свойств при умень­шении размеров наночастиц.

8. Уравнения Максвелла и распространение электромагнитных волн.

9. Связь между диэлектрической и магнитной восприимчивостью и проницаемостями.

10. Модель Друде – Лоренца для электропроводности металлов.

11. Время релаксации и время свободного пробега носителей заряда.

12. Материальные уравнения, связывающие поляризации и напряженности полей в метаматериалах.

13. Оптические константы.

14. Решения уравнений Максвелла для поперечных и продольных волн при наличии пространственной дисперсии.

15. Понятия продольной и поперечной диэлектрической проницаемости.

16. Теория Друде – Зоммерфельда оптических свойств металлов.

17. Действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости. Коэффициент поглощения.

18. Толщина скин – слоя, средняя длина свободного пробега электрона, скорость Ферми.

19. Пределы применимости теория Друде – Зоммерфельда на примере благородных металлов.

20. Уравнения теория Друде – Зоммерфельда с учетом межзонных переходов.

21. Диэлектрическая проницаемость малых частиц.

22. Дисперсия в газе свободных электронов, объемные продольные и поперечные плазмоны.

23. Поверхностные плазмоны.

24. Методы возбуждения и наблюдения поверхностных плазмонов.

25. Плазменные колебания в наночастицах.

26. Методы решения уравнений Максвелла.

27. Оптические свойства сферических наночастиц и наносистем.

28. Методы расчета оптических констант по экспериментальным данным.

28. Расчет концентрации электронов, коэффициента затухания и объемной доли наночастиц.

29. Терапия и визуализация опухолей с помощью наночастиц.

30. Биосенсоры на поверхностных и локализованных плазмонах.

31. Элементная база для интегральных схем на плазмонах.

32. Покрытия - невидимки на основе плазмонных материалов.

25 тестовых заданий по дисциплине размещены на сервере университета в AST – центре

Зачет по дисциплине выставляется при выполнении всего цикла лабораторных работ, предоставлении отчетов и защите всех работ, прохождении промежуточного тестирования (положительным результатом тестирования считается выполнение 50 % и более).

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

Оосновная учебная и научная литература.

1.  Климов . Москва, физматлит, 2009.

2.  Головин в нанотехнику - М, Машиностроение, 2007.

3.  Суздалев : Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – Эдиториал УРСС, 2006

4.  Гусев , наноструктуры, нанотехнологии. –М, ФИЗМАТЛИТ, 2005.

5.  Нанотехнологии. - М.: Техносфера, 2004.

6.  Мальцев . Нанотехнологии. Наносистемная техника. – Техносфера, 2006

7.  Генералов нанотехнология. Учебное пособие для ВУЗов. Академкнига, 2006

8.  Андриевский материалы. – Академия, 2005

9.  Фононы в наноструктурах. Физматлит, 2006.

10.  Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 19с.

11.  , . Физика твердого тела: Учеб. – 3-е изд., стер. – М.: Высш. шк.; 2000. – 494 с.

12.  Дж. Слэтер. Диэлектрики, полупроводники, металлы. М.: Мир, 19с.

13.  Анализ поверхности методами оже - и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / Под ред. Д. Бриггса, .- М.: Мир, 198с.

14.  Современные методы исследования поверхности.- М.: Мир, 198с.

15.  , Черепин методы исследования поверхности твердых тел.- М.: Наука, 198с.

16.  Введение в физику твердых тел. Часть 3: Зонная теория твердых тел: Учеб.-метод. пособие / ГОУ ВПО "Кемеровский государственный университете"; сост. . – Кемерово, 20с.,,2001,50

17.  Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Под ред. М. Роко, 3. Уильямса, П. Аливисатоса. М.: Мир, 2002.

18.  , , Уфлянд металлов в полимерах. М.: Химия, 2000.

Список дополнительной учебной литературы

1.  (отв. ред.) Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. – М.: Издательство: СО РАН, 2004.

2.  , , Зотеев физики поверхности твердого тела. – М.: Изд-во МГУ, 1999

3.  Неволин туннельно-зондовой нанотехнологии.- М.: 1996

4.  Гусев материалы: методы получения и свойства. Изд-во НИСО УрО РАН, 1998, 199 с.

5.  C. Моррисон. Химическая физика поверхности твердого тела. -М.: Мир, 1980.

6.  Э. Зенгуил. Физика поверхности. - М.: Мир, 1990.

7.  Ф. Бехштедт, Р. Эндерлайн. Поверхности и границы раздела полупроводников. - М.: Мир, 1990.

8.  М. Джейкок, Дж. Прафит. Химия поверхностей раздела фаз. - М.: Мир, 1984

9.  М. Грин. Поверхностные свойства твердых тел. - М.: Мир, 1996

, Щербединский методы исследования поверхности металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 198с.

в) перечень основных профессиональных и реферативных журналов по профилю дисциплины:

1. Журнал «Успехи физических наук»

2. Журнал «Успехи химии», Российский химический журнал.

·  Журнал «Прикладной химии»

·  Журнал технической физики.

·  Журнал «Российские нанотехнологии»

·  Журналы: ФТТ; «Поверхность. Физика, химия, механика»

·  Журнал «Нано - и микросистемная техника.»

·  Журнал «Перспективные материалы».

·  Журнал «Неорганические материалы»

·  Письма в ЖТФ.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

В работах задействовано следующее оборудование: установки синтеза наночастиц, просвечивающий электронный микроскоп ЭМ-125, вакуумный универсальный пост ВУП-5, спектрофотометры. Для каждой работы имеются методические пособия (в том числе электронные варианты) и методические указания.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки 011200 ФИЗИКА и профилю Физическое материаловедение.

Автор: , профессор, д. ф.-м. н.;

, доцент, к. х.н;

Рецензент (ы): профессор, д. ф.-м. 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)