Программа курса (syllabus)

1.Цель и задачи дисциплины

1.1 Краткое содержание дисциплины

Сфера нанотехнологий считается во всем мире ключевой темой для технологий XXI века. Возможности их разностороннего применения в таких областях экономики, как производство полупроводников, медицина, сенсорная техника, экология, автомобилестроение, строительные материалы, биотехнологии, химия, авиация и космонавтика, машиностроение и текстильная промышленность, несут в себе огромный потенциал роста. Применение продукции нанотехнологий позволит сэкономить на сырье и потреблении энергии, сократить выбросы в атмосферу и будет способствовать тем самым устойчивому развитию экономики.

То обстоятельство, что квантово-размерные структуры находятся в центре внимания именно сейчас, вызвано интенсивным развитием в последние годы технологии изготовления полупроводниковых структур ̶ молекулярно-лучевой эпитаксии, газофазной эпитаксии, нанолитографии, открытием явления самоорганизации наноструктур. Это дает возможность создания такого рода структур любого профиля с точностью до одного атомного слоя.

1.2. Цели преподавания дисциплины

С одной стороны, нанотехнологии уже нашли сферы применения, с другой – они остаются для большинства населения областью научной фантастики. В будущем значение нанотехнологий будет только расти. В специализированной области это будет пробуждать интерес и стимулировать проведение исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также работ по нахождению новых областей применения нанотехнологий. Очевидным необходимым условием развития данного процесса является усиленное внедрение основ науки о нанотехнологиях в образовательные программы в вузах. Это поможет сократить сохраняющийся дефицит молодых специалистов в этой области.

Цель дисциплины научить связывать физические свойства материалов с их структурой и фазовым состоянием, выявлять классические и квантовые размерные эффекты в материалах, анализировать особенности физических свойств наноматериалов, использовать физические свойства для анализа структуры, фазового состояния; а также для формирования рабочих характеристик материала.

1.3 Задачи преподавания дисциплины

- раскрыть сущность основных представлений, законов теорий классической и современной физики твердого тела в их внутренней взаимосвязи и целостности,

- изложить принципиальных понятий физики твердого тела для систем пониженной размерностью и развитие основ понимания физических процессов протекающих в этих системах при внешних воздействиях, а также изложить элементарные представления об использовании этих явлений в современных областях техники.

Цель курса – посвящена рассмотрению частного аспекта квантовой электроники, а именно описанию физических принципов действия лазеров и их характеристик.

Дать возможность слушателю усвоить и знать:

• принципы действия лазеров и их характеристик;

• ставить проблемы, анализировать известные материалы по данной проблеме, выбрать оптимальные способы решения;

• на базе фундаментальных законов квантовой физики оценивать эффективность лазерных установок.

1.4 Пререквизиты: Высшая математика, векторный анализ, физика конденсированного состояния, основы квантовой механики.

1.5 Постреквизиты:Общепрофессиональные и специальные дисциплины.

2. Система оценки знаний студентов.

2.1. Распределение рейтинговых процентов по видам контроля

Таблица 1

Вид итогового контроля	Виды контроля	%
Экзамен	Итоговый контроль	100
Рубежный контроль	100
Текущий контроль	100

2.2 Календарный график сдачи всех видов контроля

Таблица 2

Недели	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Виды контроля	-	ЛР	ЛР СР	ЛР СР	СР	К	ЛР	РК	ЛР	ЛР СР	ЛР СР	СР	К	ЛР СР	РК
Недель. количес.. контр.		1	2	2	1	1	1	1	1	2	2	1	1	2	1
Виды контроля: ЛР –Лабораторные занятие, К – контрольная работа, СР - самостоятельная работа, РК – рубежный контроль

Итоговая оценка по дисциплине определяется по шкале (таблица 3 ).

2.3 Оценка знаний студентов

Таблица 3

Оценка	Буквенный эквивалент	Рейтинговый балл (в процентах %)	В баллах
Отлично	А	95 - 100	4
А-	90 - 94	3,67
Хорошо	В+	85 - 89	3,33
В	80 - 84	3,0
В-	75 - 79	2,67
Удовлетворительно	С+	70 - 74	2,33
С	65 - 69	2,0
С-	60 -64	1,67
D+	55 - 59	1,33
D	50 - 54	1,0
Неудовлетворительно	F	0 - 49	0

3. Содержание дисциплины

3.1. Тематический план курса.

Таблица 4

№ п/п	Наименование темы	Количество
Лекц.	лаб. заня.	СРСП	СРС
1	Предмет физики низкоразмерных систем. Основные представления.	2	1	3	3
2	Плотность состояний. Квантовые ямы, проволоки и точки.	2	1	3	3
3	Создание нанообъектов по принципам «сверху – вниз» и «снизу – вверх». Основные научные термины и определения.	2	1	3	3
4	Основы нанотехнологии консоли-дированных материалов.	2	1	3	3
5	Контролируемая кристаллизация из аморфного состояния. Основы технологии полимерных, пористых, трубчатых и биологических наноматериалов.	2	1	3	3
6	Технология пленок и покрытий. Основные методы создания наноструктур.	2	1	3	3
7	Зондовые методы нанолитографии.	2	1	3	3
8	Метод локального зондового окисления.	2	1	3	3
9	Особенности наноструктуры наноматериалов	2	1	3	3
10	Зерна, слои, включения и поры в консолидированныхнаноматериалах.	2	1	3	3
11	Основные особенности проявления размерных эффектов в наноматериалах. Электронное строение наноматериалов. Квантовые эффекты.	2	1	3	3
12	Фазовые равновесия и термодинамика наноматериалов.	2	1	3	3
13	Проводимость, оптические характеристики, диэлектрическая проницаемость и теплопроводность наноматериалов.	2	1	3	3
14	Механические свойства наноструктурных материалов. Наноматериалы со специальными физическими свойствами.	2	1	3	3
15	Туннельный эффект. Методы и приборы для изучения, анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов.		1	3	3
	Итого	30	15	45	45

3.2. Содержание лекционных занятий

Таблица 5

Наименование тем лекции	Содержания лекции	Литература	Объем, час.
Предмет физики низкоразмерных систем.	История возникновения низкорезмерных систем и наноэлектроники. Основные представления.	Осн.2 [5-15], 4 [10-35]	2
Плотность состояний.	Плотности состоянии: 1D, 2D 3D и 0D. Квантовые ямы, проволоки и точки.	Осн. 1 [7-25], 2 [35-56] Доп. 1 [12-36]	2
Создание нанообъектов по принципам «сверху – вниз» и «снизу – вверх».	Создание нанообъектов. Основные научные термины и определения.	Осн. 1 [45-58], 2 [87-95] Доп. 4 [55-78]	2
Основы нанотехнологии консоли-дированных материалов.	Порошковые технологии. Конденсационный метод. Высокоэнергетическое измельчение. Механохимический синтез. Плазмохимический синтез. Синтез в условиях ультразвукового воздействия.	Осн. 2 [75-100], 3 [135-162]	2
Контролируемая кристаллизация из аморфного состояния.	Основы технологии полимерных, пористых, трубчатых и биологических наноматериалов. Контролируемая кристаллизация из аморфного состояния.	Осн. 1 [125-150], 2 [98-112], 4 [45-78]	2
Технология пленок и покрытий.	Основные методы создания наноструктур.	Осн. 5 [45-86], 6 [12-47]	2
Зондовые методы нанолитографии.	Литография.	Осн 3 [135-160], 4 [102-125] Доп. 2 [25-45]	2
Метод локального зондового окисления.	Электрохимические реакции. АСМ.	Осн. 3 [187-201], 4 [135-150]	2
Особенности наноструктуры наноматериалов	Общая характеристика. Классификация консолидированных наноматериалов по составу, распределению и форме структурных составляющих.	Осн. 2 [201-215], 3 [311-127]	2
Зерна, слои, включения и поры в консолидированныхнаноматериалах.	Дефекты, поверхности раздела, пограничные сегрегации. Фактор Дебая–Уоллера.	Осн 2 [167-185], 5 [87-105]	2
Основные особенности проявления размерных эффектов в наноматериалах.	Электронное строение наноматериалов. Квантовые эффекты.	Осн. 1 [25-37], 2 [47-69], 3 [35-78] Доп. 4 [37-58]	2
Фазовые равновесия и термодинамика наноматериалов.	Поверхностное натяжение.	Осн. 3[230-258], 4 [128-143]	2
Проводимость, оптические характеристики, диэлектрическая проницаемость и теплопроводность наноматериалов.	Электросопротивление материалов. Свойство наноматериалов.	Осн. 3 [330-357], 5 [102-123]	2
Механические свойства наноструктурных материалов. Наноматериалы со специальными физическими свойствами.	Твердость, прочность, пластичность, упругие характеристики.	Осн. 3 [385-401], Доп. 3 [76-95]	2
Туннельный эффект..	Методы и приборы для изучения, анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов	Осн. 3 [404-421], 5 [98-108]	2
Всего		30

3.3. Содержание лабораторных занятий

Таблица 6

Наименование тем лабораторных занятий	Содержания лабораторной работы	Объем, час.
Ознакомление со сканирующей зондовой микроскопии	Изучение основ сканирующей зондовой микроскопии. Изучение конструкции и принципов работы прибора NanoEducator.	2
Получение первого СЗМ изображения.	Получение навыков обработки. Представление результатов эксперимента	2
Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии	Изучение основ сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Изучение принципов работы датчика туннельного тока в приборе NanoEducator и измерение его основных параметров. Получение топографии поверхности исследуемого образца в режиме постоянного туннельного тока.	2
Туннельный ток.	Получение топографии поверхности и фазового контраста исследуемого образца.	2
Силовая нанолитография	Знакомство с силовой нанолитографией. Получение практических навыков выполнения динамической силовой литографии.	2
Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии	Изучение основных компонентов СЗМ, вызывающие артефакты.	2
СЗМ сканеры	Изучение методов линеаризации характеристик и резонансные частоты сканеров. СЗМ зонды. Определение формы зонда и разрешения СЗМ. Методика изготовления зонда.	3
Всего		15

3.4. Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя (СРСП)

Таблица 7

№ п/п	Задание	Форма проведение	Методические рекомендации	Литература
1	Получить оценку предельной толщины пленки, при которой возможно наблюдение квантово-размерных явлений, если подвижность электронов в пленке 104 cм2/(В с).	Тренинг решение задач.	Определение изменение энергетических уровней.	Осн. 2[5-12], 3 [7-15]
2	Какова предельная толщина пленки, при которой возможно наблюдение квантово-размерных явлений при комнатной температуре, если эффективная масса носителей m = 0.1 m0?	Тренинг решение задач.	Определение толщину пленки.	Осн. 1[69-78], 2[21-30], 3[160-211],
3	Для прямоугольной квантовой ямы шириной L и глубиной U получить уравнение для определения значений энергии связанных состояний. Определить число связанных состояний в яме. Найти условие, при котором расстояние по шкале энергий от вершины барьера до нижнего уровня в яме равно заданной величине Е0.	Тренинг. Решение задач.	Определения значений энергетических состояний.	Осн. 1[77-91], 2[58-88], Доп.2[20-27]
4	Рассмотреть цепочку из N атомов в бесконечно глубокой потенциальной яме Na. Показать, что значения энергии для векторов обратной решетки равны:  n = 1, 2, 3, …. Указание: Учесть то, что волновые вектора, относящиеся к одной пространственно квантованной зоне должны лежать в первой зоне Бриллюэна.	Тренинг. Решение задач.	Какое максимальное значение может принимать n?	Осн. 2[12-21], 4[47-91].
5	Найти волновые функции и уровни энергии в треугольной квантовой яме, которая слева в точке z = 0 ограничена бесконечно высокой стенкой и справа потенциалом V = az. Указание: ввести константы  и  .	Решение задач.	Найти волновые функции и уровни энергии.	Осн. 1[76-78], 2[81-105], Доп. 2[15-21]
6	Найти уравнение для определения энергии связанных состояний в яме, ограниченной справа в точке z = 0 бесконечно высокой стенкой, а справа потенциалом . Указание: сделать сначала замену переменной , а затем .	Тренинг. Решение задач.	Найти уравнение для определения энергии связанных состояний в яме.	Осн. 2[19-33], 4[35-59]
7	Поверхность тонкой монокристаллической пленки кремния имеет ориентацию (100). Рассчитайте плотность электронных состояний в таком двумерном электронном газе. Что изменится при ориентации поверхности (111)?	Тренинг. Решение задач.	Рассчитайте плотность электронных состояний	Осн. 2[90-113], Доп. 2[56-65]
8	Получить выражение для экранированного потенциала точечного заряда в двумерном электронном газе. Указание: решить уравнение Лапласа в цилиндрической системе координат. Заряд в области двумерного электронного газа использовать в качестве граничного условия.	Дискуссия	Решить уравнение Лапласа в цилиндрической системе координат.	Осн. 3[90-100], 4[23-27].
9	Решить уравнение Шредингера для электронов в двумерном электронном газе, находящемся в плоскости z = 0 во внешнем магнитном поле Н = (0, 0, Нz) и электрическом поле F = (Fx, 0, 0).	Тренинг. Решение задач.	Решить уравнение Шредингера	Осн. 2[108-117], 3[145-162].
10	Найти связь между концентрацией электронов и уровнем Ферми для вырожденного одномерного электронного газа. Указание: использовать квадратичный закон дисперсии энергии электронного газа.	Тренинг. Решение задач.	Найти связь между концентрацией электронов и уровнем Ферми	Осн. 2[76-78], 5[110-122]
11	Вычислить долю атомов, лежащих на поверхности кристаллического кластера кубической формы, составленного из 5х5х5 элементарных ячеек. Рассмотреть два случая: а) решетка простая кубическая; б) решетка кубическая объемноцентрированая.	Тренинг. Решение задач.	Вычислить долю атомов.	Осн. 3[35-40]. Доп. 2[78-85]
12	Уравнение Ландау в объемных твердых телах. Покажите, что энергетические уровни трехмерного тела в магнитном поле в (направлено вдоль оси z) описывается уравнением	Тренинг. Решение задач.	Вычислит уравнение.	Осн. 4[159-179], 5[37-45]
13	Характеристическая магнитная длина ln электрона в магнитном поле В определяется уравнением (можно воспользоваться полуклассическим приближением)	Тренинг. Решение задач.	Покажите что длина lm равна радиусу циклотронной орбиты электрона, соответствующему значению квантования энергии в плоскости, перпендикулярной В при п=0	Осн. 1[76-84], 2[21-30], 3[160-211], Доп. 2[15-21]
14	Край спектра поглощения фуллерена С60 лежит вблизи длины волны 526 нм. Определите ширину запрещенной зоны С60.	Дискуссия	Определите ширину запрещенной зоны материала на основе фуллерена С60.	Осн. 4[96-101]. Доп. 2[56-63], 4[75-86]
15	Структура и связь фуллерена С60.	Дискуссия	Какого вида связью связаны между собой атомы углерода в молекуле фуллерена С60.	осн. 2[77-89], Доп. 2[73-80]

3.5. Содержание самостоятельной работы студентов (СРС)

Таблица 8

№	Задание	Методические рекомендации	Литература
1	Частицы в прямоугольной потенциальной яме	Особенности энергетического спектра частиц в системах пониженной размерности. Сдать в виде реферата.	Осн. 1[69-76], 2[5-12]
2	Прямоугльная потенциальная яма конечной глубины.	Особенности движения частиц в потенциальной яме. Сдать в виде реферата.	Осн. 2[5-12], 4[10-13]. Доп.4[3-15]
3	Структуры со удвоенной квантовой ямой	Квантовые ямы. Сдать в виде реферата.	Осн. 2[13-22], 3[15-23]
4	Плотности состояний в 1D системах	Распределение квантовых состояний в системах пониженной размерности	Осн. 1[76-87], 2[5-12]
5	Плотности состояний в 1D системах	Плотность состояний и размерность системы. Сдать в виде реферата.	Осн. 4[108-153]. Доп. 1[84-89]
6	Квантовые ямы, проволки и точки	Мезоскопическая физика и нанотехнология. Сдать в виде реферата.	Осн.1[68-76].
7	Появление и развитие полупроводниковой наноэлектроники	Этапы развитие электроники. Сдать в виде реферата.	Осн. 2[26-39], 4[41-54].
8	Основные характеристики полупроводниковых наноструктур	Физика полупроводников с пониженной размерности. Сдать в виде раеферата.	Осн. 2[39-50], Доп. 2[75-85]
9	Приповерхностная область пространственного заряда. Уравнение Пуассона	Экранирование электрического поля в структурах пониженной размерности. Сдать в виде реферата.	Осн. 4[44-63]
10	Гетеропереходы	Полупроводниковые наноструктуры и сверхрешетки. Сдать в виде реферата.	Осн. 2[19-28], 4[47-54]
11	Тенденция создания нанотранзисторов.	Электронные приборы на наноструктурах. Сдать в виде реферата.	Осн. 2[12-37], 4[45-53]
12	Лазеры на полупроводниковых гетеросруктурах. Лазеры на полупроводниковых ямах.	Оптоэлектронные устройства на основе наноструктур. Сдать в виде реферата.	Осн. 2[25-37], 4[34-53]
13	Особенности фононного спектра в системах пониженной размерности	Дисперсионные зависимости фононв в полупроводниковых сверхрешетках. Сдать в виде реферата.	Осн. 2[49-63], 4[59-77].
14	Экспериментальные данные и элементарная теория целочисленного Квантового эффекта Холл.	Квантовый эффект Холла. Сдать в виде реферата.	Осн. 2[103-121] Доп. 4[105-115]
15	Квантовый эффект Холла в двумерной электронном газе.	Эксперименты с двумерным электронным газом. Сдать в виде реферата.	Осн. 4[30-39], 5[215-230].

3.6. График проведения занятий

Таблица 9

№	Дата	Время	Наименование тем
			Лекции
1			Предмет физики низкоразмерных систем.
2			Плотность состояний.
3			Создание нанообъектов по принципам «сверху – вниз» и «снизу – вверх».
4			Основы нанотехнологии консоли-дированных материалов.
5			Контролируемая кристаллизация из аморфного состояния.
6			Технология пленок и покрытий.
7			Зондовые методы нанолитографии.
8			Метод локального зондового окисления.
9			Особенности наноструктуры наноматериалов
10			Зерна, слои, включения и поры в консолидированныхнаноматериалах.
11			Основные особенности проявления размерных эффектов в наноматериалах.
12			Фазовые равновесия и термодинамика наноматериалов.
13			Проводимость, оптические характеристики, диэлектрическая проницаемость и теплопроводность наноматериалов.
14			Механические свойства наноструктурных материалов. Наноматериалы со специальными физическими свойствами.
15			Туннельный эффект.
			Лабораторные занятия
1			Ознакомление со сканирующей зондовой микроскопии.
2			Получение первого СЗМ изображения.
3			Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии.
4			Туннельный ток.
5			Силовая нанолитография.
6			Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии.
7			СЗМ сканеры.

5. Список литературы

Список основной литературы

1.  , , Рыков низкоразмерных систем. –Санкт-Петербург. Наука, -2001. -160с.

2.  Введенеие в нанотехнологию: пер. с яп. /Н. Кобаяси. –М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.-134с.

3.  , , Гридчин наноэлектроники, Москва, Логос, 2006, -496с.

4.  , Ивченко свойства наноструктур, Санкт-Петербург, 2001, -188с.

5.  , . Физика квантовых низкоразмерных структур. М.: Логос, 2000. -230с.

6.  . Двумерные, одномерные, нульмерные структуры и сверхрешетки. Физ. фак МГУ 1998. -186с.

Материал для дополнительного чтения

1. Т. Андо, А. Фаулер, Ф. Стерн. Электронные свойства двумерных систем М. Мир 1982. -115с.

2. Полупроводниковые сверхрешетки. М, Мир, 1979. -112с.

3. Электроны в неупорядоченных средах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. -135с.

4. Квантовый эффект Холла. Под редакцией Р. Пренджа, С. Гирвина. М.: Мир, 1989. -183с.

5. , . Квазичастицы в физике конденсированного

состояния М.: ФизМатЛит 2005, -396 с.

6. J. A.Wilson, F. J.Di Salvo, S. Mahajan “Charge-density waves and superlattices in the metallic layered transition metal dichalcogenides” Adv. Phys. 50 (2001) N 8, 1171-1248

СОДЕРЖАНИЕ

1. Цели и задачи дисциплины…………………………………………………..	3
2. Система оценки знаний студентов…………………………………………..	4
3. Содержание дисциплины, распределение часов по видам занятий……….	5
4. Содержание лекционных занятий…………………………………………...	6
5. Содержание лабораторных занятий…………………………………………	8
6. Содержание СРСП……………………………………………………………	9
7. Содержание СРС……………………………………………………………...	12
8. График проведения занятий………………………………………………….	13
9. Список основной и дополнительной литературы…………………………	15