Рабочая программа учебной дисциплины Сканирующая зондовая микроскопия |
|
УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
_____________
«____»______________ 2011г.
Рабочая программа дисциплины
Сканирующая зондовая микроскопия поверхности твердых тел
и связанные с ней технологии
Направление ООП - подготовка магистров по направлению 011200 «Физика»
Профиль подготовки – физика конденсированного состояния
Квалификация (степень) магистр
Базовый учебный план приема 2011 г.
Курс 6 семестр I
Количество кредитов 3
Пререквизиты: общая физика, математика, информатика, химия, экология, теоретическая физика, методы математической физики.
Кореквизиты: физика поверхности и тонких пленок, основы плазменных и радиационных технологий, получение и применение пучков заряженных частиц, плазменные покрытия,
Виды учебной деятельности и временной ресурс:
Лекционные занятия 9 час.
Практические занятия 54 час.
Аудиторные занятия 63 час.
Самостоятельная работа 54 час.
Итого 117 час.
Форма обучения очная
Вид промежуточной аттестации экзамен
Обеспечивающее подразделение кафедра ОФ ФТИ
Заведующий кафедрой ОФ
Руководитель ООП
Преподаватель
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
Подготовка специалистов, владеющих основами современных методов сканирующей зондовой микроскопии, имеющих представления об их возможностях для исследования разнообразных свойств поверхностей и пленок твердых тел; о современных достижениях и тенденциях в изготовлении сканирующих зондовых микроскопов и их применении в нанотехнологиях, метрологии и микроэлектронике.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Сканирующая зондовая микроскопия» 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, математики, информатики, теоретической физики, методов математической физики.
Кореквизиты: параллельно с данной дисциплиной могут изучаться курсы физики поверхности и тонких пленок, дефекты в твердых телах и модифицирование материалов, получение и применение пучков заряженных частиц, плазменные покрытия.
3. Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать:
- физические принципы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ);
- основы физики взаимодействия локальных зондов различных типов (туннельного, атомно-силового, магнитно-силового и оптического зонда ближнего поля и др.) с поверхностью исследуемых материалов;
- устройство, принцип работы и особенности конструкции зондовых микроскопов различных типов;
- возможности различных методик СЗМ для исследования разнообразных свойств поверхности твердых тел и тонких пленок;
- возможные артефакты и методы их учета или устранения в ходе получения данных с помощью СЗМ;
- методы обработки и анализа данных получаемых с помощью СЗМ.
- тенденции в изготовления новых зондов и развитии новых методик СЗМ.
уметь:
- решать материаловедческие задачи,
- получать качественные и количественные характеристики различных свойств поверхностей и тонких пленок с помощью методик СЗМ;
- самостоятельно осваивать и грамотно применять новые методики СЗМ для исследования в области физики поверхности и тонких пленок;
- самостоятельно выбирать методы и объекты исследований;
- находить и анализировать нужную научно-техническую информацию.
владеть:
- стандартной терминологией, определениями и обозначениями;
- методами обоснованного выбора исследовательской методики, оценкой эффективности ее применения и адекватности поставленной конкретной задаче;
- методами анализа и оценки полученных результатов, умением аргументировано делать выводы и принимать решения на основе проведенного исследования.
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 в области СЗМ, физики 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 физики поверхности и тонких пленок.
4. Структура и содержание дисциплины
Содержание теоретического раздела дисциплины:
1. Устройство и принципы работы сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ). Физические принципы работы сканирующего туннельного (СТМ) и атомно-силового микроскопов (АСМ). Основные режимы работы СТМ и АСМ (2 часа).
2. Основные методики СЗМ: туннельная спектроскопия, магнитно-силовая микроскопия, латеральная спектроскопия, оптическая микроскопия ближнего поля и др. Основные возможности методик, их достоинства и недостатки (2 часа).
3. Детали устройства сканирующих зондовых микроскопов: характеристики пьезоэлектрических материалов, сканеры, артефакты, связанные с работой сканеров и методы их учета или устранения. Принципы работы системы обратной связи (ОС) СЗМ (2 часа).
4. Методы математической обработки и анализа экспериментальных данных СЗМ Артефакты изображений. Восстановление истинных изображений. (2 часа).
5. Атомные манипуляции и формирование наноструктур. Тенденции в создании новых зондов и развитии новых методик СЗМ. Примеры их применения для исследования поверхности твердых тел и тонких пленок (1 час).
Содержание практического раздела дисциплины:
1. Расчет сил взаимодействия в АСМ и разрешения. (2 часа).
2. Постановка и решение задачи Герца о контакте двух часа).
3. Анализ формулы John G. Simmons для туннельного тока в случае малого, промежуточного и высокого напряжений. (4 часа).
4. Теоретические основы методов первичной обработки данных (6 часов)
5. Теоретические основы методов анализа данных СЗМ (18 часов)
6. Решение задач восстановления истинных изображений (10 часов)
7. Решение задач теста №1. (4 часа).
8. Решение задач теста №2. (4 часа)
9. Решение задач теста №3. (4 часа)
10. Решение задач теста №4. (4 часа)
Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы | Аудиторная работа (час.) | СРС (час) | Защита рефератов | Итого | ||
Лекции | Практ. занятия | Лабор. занятия | ||||
Устройство и принципы работы сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ). Физические принципы работы сканирующего туннельного (СТМ) и атомно-силового микроскопов (АСМ). Основные режимы работы СТМ и АСМ | 2 | 8 | 10 | 20 | ||
Основные методики СЗМ: туннельная спектроскопия, магнитно-силовая микроскопия, латеральная спектроскопия, оптическая микроскопия ближнего поля и др. Основные возможности методик, их достоинства и недостатки. | 2 | 6 | 12 | 20 | ||
Детали устройства сканирующих зондовых микроскопов: характеристики пьезоэлектрических материалов, сканеры, артефакты, связанные с работой сканеров и методы их учета или устранения. Принципы работы системы обратной связи (ОС) СЗМ | 2 | 4 | 8 | 14 | ||
Методы математической обработки и анализа экспериментальных данных СЗМ Артефакты изображений. Восстановление истинных изображений. | 2 | 24 | 16 | 42 | ||
Атомные манипуляции и формирование наноструктур. Тенденции в создании новых зондов и развитии новых методик СЗМ. Примеры их применения для исследования поверхности твердых тел и тонких пленок. | 1 | 12 | 8 | 21 | ||
Итого | 9 | 54 | 0 | 54 | 0 | 117 |
5. Образовательные технологии
Лекционный материал данного курса представлен в электронном виде в среде MOODLE в форме учебного пособия. Презентации лекций содержат рисунки и анимации для лучшего усвоения материала. Студенты знакомятся с устройством и работой атомно-силового микроскопа Certus и выполняют на нем практические занятия.
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 в виде четырех тестов, вопросы к которым выставлены студентам заранее.
Примерные темы рефератов:
1. Особенности вакуумной сканирующей зондовой микроскопии.
2. Технологии изготовления одноострийных игл для СТМ.
3. Использование АСМ в нанометрологии.
4. Исследование электронной структуры металлов с помощью СТМ.
5. Исследование точечных дефектов в монокристаллах и поликристаллах металлов.
6. Сканирующая микроскопия ближней оптической зоны.
7. Природа поверхностных электронных состояний.
8. Магнитные тонкие пленки.
9. Поверхностное натяжение жидкости. Капиллярные явления.
10. Этапы развития физики поверхности.
11. Молекулярно-лучевая эпитаксия.
12. 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 (60 баллов – текущая оценка в семестре, 40 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 | Физические принципы работы сканирующего туннельного (СТМ) и атомно-силового микроскопов (АСМ). Основные режимы работы СТМ и АСМ | Тест 1 | 6 | Расчет сил взаимодействия в АСМ и разрешения. | 6 | 12 |
2 | Основные методики СЗМ: | Тест 1 | 6 | Постановка и решение задачи Герца о контакте двух тел | 6 | 12 |
3 | Детали устройства сканирующих зондовых микроскопов: характеристики пьезоэлектрических материалов, сканеры, артефакты, связанные с работой сканеров и методы их учета или устранения. Принципы работы системы обратной связи (ОС) СЗМ. | Тест 2 | 6 | . Анализ формулы John G. Simmons для туннельного тока в случае малого, промежуточного и высокого напряжений | 6 | 12 |
4 | Методы математической обработки и анализа экспериментальных данных СЗМ Артефакты изображений. Восстановление истинных изображений. | Тест 3 | 6 | Методы первичной обработки данных | 6 | 12 |
5 | Атомные манипуляции и формирование наноструктур. Физические методы исследования состояния поверхности. | Тест 4 | 6 | Методы анализа данных СЗМ и получения количественных характеристик | 6 | 12 |
Сумма баллов в семестре | 30 | 30 | 60 |
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. 1. Г. Бинниг, Х. Рорер. Сканирующая туннельная микроскопия – от рождения к юности. Нобелевские лекции по физике – 1986. УФН, т. , вып.2, с. 261.
2. Суслов зондовые микроскопы (обзор)// Материалы, технологии, инструменты. Т.2. №3. 1997. С.78-, № 11, 54–57.
3. , , Решетов атомно-силовой микроскопии для исследования микроструктуры твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Препринт/002-96. Москва: МИФИ (1996)
4. Howland R., Benatar L. A practical guide to scanning probe microscopy. Park Scientific Instruments (1996)
5. , , . Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии (обзор). Заводская Лаборатория. Исследование структуры и свойств, Физические методы исследования и контроля. 1996, №1, с.10-27.
6. B. Cappella, G. Dietler. Force-distance curves by atomic force microscopy. Surface Science Reports 34, 1 (1999)
7. J. W. P. Hsu. Near-field scanning optical microscopy studies of electronic and photonic materials and devices. Materials Science and Engineering Reports, 33, 1 (2001).
8. . /Новое в сканирующей микроскопии.//Приборы и техника эксперимента (обзор материалов международной конференции STM’9№6. С.3-42.
Дополнительная литература:
1. . Сканирующая туннельная микроскопия (обзор). ПТЭ, 1989, №5, с.25.
2. . Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур. СПб: Наука, 2001.
3. . Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. Российская академия наук, Институт физики микроструктур. Нижний Новгород, 2с
4. T. Sakurai. Advances in scanning probe microscopy. Springer-Verlag, 2000.
5. N. J.DiNardo. Nanoscale Characterization of Surfaces and Interfaces. Wiley, 1994.
6. M. A.Paesler, P. J.Moyer. Near-Field Optics: Theory, Instrumentation and Applications. Wiley, 1996.
7. , . Сканирующая туннельная микроскопия атомной структуры, электронных свойств и поверхностных химических реакций. УФН, 1989, т.157, вып.1, с.185.
8. , . Атомно-силовая микроскопия в задачах проектирования приборов микро - и наноэлектроники. Часть I: Микроэлектроника, 1999, том 28, № 6, с. 405-414. Часть II: Микроэлектроника, 1999, том 29, № 1, с. 13-22.
9. , , . Оптика за дифракционным пределом: принципы, результаты, проблемы. УФН, 1998, №7, с.801.
ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ
http://www. *****/SPM-Techniques/ Сайт NT-MDT.
http://www. /spmguide/contents. htm A Practical Guide to Scanning Probe Microscopy. ThermoMicroscopes,1999.
http://www. nanoworld. org/museum/nobl. pdf Г. Биннинг, Г. Рорер. Сканирующая туннельная микроскопия — от рождения к юности.
http://www. nanoworld. org/museum/nobl. pdf C. Bai. Scanning Tunneling Microscopy and its Application. 2nd rev. ed, Springer-Verlag. 2000.
http://www. nanoworld. org/russian/NanoLibrary/bakhtizin. pdf . Сканирующая туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твердых тел. Соросовский образовательный журнал, 2000, т.6, №11 С. 1-7.
www. ***** Сайт ООО “Нано Скан Технология”
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Практическая составляющая данного курса осуществляется в компьютерном классе кафедры ОФ, 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 ОФ
(протокол № от « » 2011 г.).
Автор доцент каф. ОФ, к. ф.-м. н.
Рецензенты Н. с. ИФПМ СО РАН к. ф.-м. н.
профессор каф. ОФ, д. ф.-м. н.
