Российская Академия наук
Учреждение Российской академии наук
Санкт-Петербургский Академический университет –
научно-образовательный центр нанотехнологий РАН
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по высшему образованию
д. ф.-м. н., чл.-корр. РАН
_____________________
Методические указания для преподавателей по организации выполнения практических заданий, планируемых в процессе изучения курса ТБ-1
«Теоретические основы физики твердого тела и эпитаксии наноструктур»
Методические рекомендации разработаны д. ф.-м. н., проф.
©
Санкт-Петербург
2011 г.
Методические указания для выполнения различных видов практических заданий, планируемых в процессе изучения курса «Теоретические основы физики твердого тела и эпитаксии наноструктур»
1. Тексты практических задач, конкретных ситуаций, других видов практических заданий по темам курса и методические рекомендации по их выполнению
К теме 1. Введение.
По теме 1 не предусмотрено выполнение практических занятий. Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа в виде подготовки к промежуточному тесту и итоговому экзамену с применением лекционного материала, рекомендованной литературы, периодических научных изданий и Интернет-ресурсов.
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
При самостоятельной внеаудиторной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- Каковы основные тенденции развития современной полупроводниковой электроники. Закон Мура. Долгосрочный прогноз развития наноэлектроники и нанофотоники.
- Каковы основные методы эпитаксиального синтеза полупроводниковых соединений A3B5 и A2B6 и в чем их основные различия.
- Современные применения оптоэлектронных наногетероструктур. Полупроводниковые лазеры и светодиоды. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы для оптической передачи информации.
С методической точки зрения выявлять влияние различных определяющих факторов целесообразно в следующем порядке:
- История развития полупроводниковой микроэлектроники и оптоэлектроники.
- Влияние полупроводниковой электроники на создание постиндустриального информационного общества.
- Описание современных установок газофазной эпитаксии из металло-органических соединений и молекулярно-пучковой эпитаксии.
- Основные стадии современного полупроводникового производства: эпитаксиальный рост наногетероструктуры, процессирование, изготовление дискретного прибора и готовой продукции (например, на основе рассмотрения светодиодов на основе GaN).
К теме 2. Полупроводниковые соединения в микро - и оптоэлектронике. Основы эпитаксиальных нанотехнологий.
По теме 2 предусмотрено выполнение 2 практических занятий. Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа в виде подготовки к промежуточному тесту и итоговому экзамену с применением лекционного материала, рекомендованной литературы, периодических научных изданий и Интернет-ресурсов.
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа, 2 часа – практическое занятие.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
При самостоятельной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- Основные кристаллохимические, термодинамические и электрические свойства соединений А3В5, А2В6.
- Особенности их зонной структуры.
- Основные материалы для подложек. Методы роста монокристаллов.
- Основные особенности и различия между современными эпитаксиальными методами синтеза полупроводниковых наногетероструктур.
- Основные применения наногетероструктур полупроводниковых соединений А3В5.
- Послойный, островковый и промежуточный механизмы роста.
- Соотношение Юнга. Контактный угол.
- Роль рассогласования решеток при эпитаксии наногетероструктур. Критические толщины.
- Возможности интеграции А3В5 материалов на поверхности кремния.
Практическое занятие 1: решение задачи «Основные разновидности современных эпитаксиальных технологических методов»
Задача 1. Рассчитать соотношения парциальных давлений прекурсоров и соотношения потоков при газофазной эпитаксии из металло-органических соединений и молекулярно пучковой эпитаксии твердого раствора AlxGa1-xAs. Определить оптимальный температурный диапазон при проведении различных эпитаксиальных процессов. Рассчитать ширину запрещенной зоны получаемого материала в зависимости от молярной доли x..
Практическое занятие 2: решение задачи «Соотношение Юнга в капле»
Задача 2. Доказать соотношение Юнга для поверхностных энергий и контактного угла капли на поверхности из условия минимума поверхностной энергии системы при постоянстве объема капли.
К теме 3. Получение наногетероструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
В теме 3 предусмотрено выполнение практического занятия. Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа в виде подготовки к промежуточному тесту и итоговому экзамену с применением лекционного материала, рекомендованной литературы, периодических научных изданий и Интернет-ресурсов.
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
При самостоятельной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- Схема ростовой камеры установки МПЭ.
- Конструкции эффузионных ячеек. Теоретические модели испарения и конденсации в вакууме.
- Плазменная активация молекулярных потоков.
- Основные методы контроля процессов на поверхности и состояния атмосферы ростовой камеры в процессе МПЭ.
- Основные модели двумерного роста пленок. Рост на сингулярных и вицинальных поверхностях.
С методической точки зрения выявлять влияние различных определяющих факторов целесообразно в следующем порядке:
- Основные отличительные особенности метода МПЭ.
- Специфика сверхвысоковакуумного технологического оборудования.
- Основные конструктивные элементы установки МПЭ. Функциональная схема ростовой камеры.
- Эффузионные ячейки. Испарение и конденсация в условиях высокого вакуума.
- Молекулярные источники с плазменной активацией.
- Метод дифракции быстрых электронов на отражение. Контроль состояния поверхности в процессе эпитаксиального роста. Калибровка скорости роста.
- Влияние температуры подложки и методы ее контроля.
- Основные кинетические процессы на поверхности и при МПЭ.
- Конденсация тонких пленок. Основные теоретические модели.
- Рос на сингулярных и вицинальных подложках. Плотность ступеней и ее зависимость от угла разориентации подложки.
Практическое занятие 3: решение задачи «Расчет активационного барьера нуклеации»
Задача 3. Рассчитать активационный барьер нуклеации (свободную энергию образования островка критического размера) для островка InAs на поверхности InAs(100) и GaAs(100) с учетом смачивающего слоя в методе молекулярно пучковой эпитаксии и показать, что в первом случае островок двумерен, а во втором – трехмерен. Определить оптимальное аспектное соотношение InAs/GaAs квантовой точки в форме усеченной пирамиды с квадратным основанием.
К теме 4. Полупроводниковые гетеропереходы и интерфейсы.
По теме 4 не предусмотрено выполнение практических занятий. Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа в виде подготовки к промежуточному тесту и итоговому экзамену с применением лекционного материала, рекомендованной литературы, периодических научных изданий и Интернет-ресурсов.
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
При самостоятельной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- Гетеропереходы I и II рода.
- Правила построения энергетических диаграмм.
- Двойные гетероструктуры, особенности инжекционных и рекомбинационных свойств.
- Химические и физические свойства гетеровалентных гетероинтерфейсов.
- Факторы, влияющие на качество гетерограницы.
- Основные полупроводниковые гетеросистемы в сочетании с использующимися подложками.
С методической точки зрения выявлять влияние различных определяющих факторов целесообразно в следующем порядке:
- Диффузионное растекание носителей зарядов в автоэпитаксиальных структурах.
- Зонные диаграммы полупроводниковых гетероструктур. Гетеропереходы I и II рода.
- Эпитаксиальный рост полупроводниковых гетероструктур. Факторы, влияющие на качество гетерограницы.
- Основные полупроводниковые гетероструктуры в сочетании с имеющимися подложками.
- Роль упругих напряжений.
- Переход от гетероструктур к квантовым ямам.
К теме 5. Низкоразмерные гетероструктуры.
В теме 5 предусмотрено выполнение практического занятия. Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа в виде подготовки к промежуточному тесту и итоговому экзамену с применением лекционного материала, рекомендованной литературы, периодических научных изданий и Интернет-ресурсов.
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
При самостоятельной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- Квантовые ямы и полупроводниковые сверхрешетки.
- Энергетический спектр носителей в квантовых ямах.
- Рост гетероструктур с квантовыми ямами методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
- Применение квантоворазмерных гетероструктур в приборах микро - и оптоэлектроники.
- Двойная гетероструктура и лазеры на ее основе.
- Основные типы конструкций и материалы лазерных гетероструктур среднего и ближнего ИК, видимого и УФ диапазонов.
С методической точки зрения выявлять влияние различных определяющих факторов целесообразно в следующем порядке:
- Преимущества гетероструктур для создания оптоэлектронных приборов на их основе. Квантовые ямы.
- Особенности роста гетероструктур с квантовыми ямами методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
- Двойная гетероструктура и лазеры на ее основе.
- Основные типы лазеров различных спектральных диапазонов.
- Напряженные гетероструктуры. Переход к квантовым точкам. Система InAs/GaAs.
Практическое занятие 4: решение задачи «Расчет плотности состояний наноразмерных гетероструктур»
Задача 4. Рассчитать плотность энергетических состояний для квантовой ямы, цилиндрической квантовой проволоки и кубической квантовой точки в приближении бесконечного потенциального барьера на границе.
К теме 6. Наноструктуры с квантовыми точками и нитевидными нанокристаллами.
По теме 6 предусмотрено выполнение двух практических занятий. Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа в виде подготовки к промежуточному тесту и итоговому экзамену с применением лекционного материала, рекомендованной литературы, периодических научных изданий и Интернет-ресурсов.
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа, 4 часа – практические занятия.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
При самостоятельной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- Особенности электронных свойств низкоразмерных наноструктур.
- Роль эффектов размерного квантования в современных оптоэлектронных приборах
- Особенности эпитаксиального роста на подложках, рассогласованных по параметру решетки.
- Критические толщины формирования квантовых точек в различных гетероэпитаксиальных системах.
- Кинетические факторы, определяющие морфологию квантовых точек при молекулярно пучковой эпитаксии в рассогласованных системах, способы управления морфологией ансамблей квантовых точек.
- Основные закономерности роста нитевидных нанокристаллов по механизму «пар – жидкость – кристалл».
- Диффузионные вклады в скорость роста нитевидных нанокристаллов в различных системах.
- Механизм нуклеации на тройной линии и его роль в образовании вюрцитных GaAs нитевидных нанокристаллов.
- Роль поверхностной энергии катализатора в росте и кристаллической структуре нитевидных нанокристаллов полупроводниковых соединений А3В5.
- Рост нитевидных нанокристаллов А3В5 на поверхности Si. Критический радиус бездислокационного когерентного роста.
Практическое занятие 5: решение задачи «Массив квантовых точек»
Задача 5. Рассчитать средний размер и плотность InAs квантовых точек в виде пирамиды с квадратным основанием на сингулярной поверхности GaAs(100) при молекулярно пучковой эпитаксии со следующими параметрами: толщина осажденного InAs = 2 монослоя, температура поверхности = 460оС, скорость осаждения InAs = 0.05 монослоев в секунду при нулевой экспозиции.
Практическое занятие 6: решение задачи «Нитевидные нанокристаллы»
Задача 6. Рассчитать зависимость длины GaAs нитевидных нанокристаллов от их диаметра при молекулярно пучковой эпитаксии на поверхности GaAs(111)B, активированной каплями Au, со следующими параметрами: температура поверхности = 580оС, скорость осаждения GaAs = 1 монослой в секунду, соотношение потоков As4/Ga = 1, толщина осаждения = 1 мкм.
2. Методические указания по проведению итогового экзамена (теста) по курсу «Теоретические основы физики твердого тела и эпитаксии наноструктур»
Целью проведения итогового теста по курсу является контроль знаний, полученных слушателями на лекционных занятиях и при выполнении лабораторных практикумов.
Целесообразно проводить тестирование в конце изучения каждой темы. При этом слушателям по окончании занятия выдается 6-7 вопросов теста, на которые они должны ответить во время самостоятельной внеаудиторной работы. Общее количество вопросов по курсу – 30. По окончании курса результаты тестирования суммируются, и выставляется общая оценка за выполнение итогового задания.
Критерии оценки знаний слушателей при выполнении итогового теста:
Оценка «отлично» выставляется, если слушатель правильно ответил на 85-100 % вопросов теста.
Оценка «хорошо» выставляется, если слушатель правильно ответил на 70-84% вопросов теста.
Оценка «удовлетворительно» выставляется, если слушатель правильно ответил на 50-69 % вопросов теста.
Оценка «неудовлетворительно» выставляется, если слушатель не ответил правильно на 50% вопросов теста.
Для итоговой оценки знаний слушателей используется дифференцированный зачет. Для допуска к зачету требуется получить оценку за промежуточный тест не ниже «удовлетворительно».
В ходе зачета, который проходит в форме устных ответов, слушателю предлагается дать развернутые ответы на два вопроса билета. Ответы за каждый вопрос оцениваются отдельно. Общая оценка за зачет складывается по итогам оценки на оба вопроса. Для получения положительной (удовлетворительно и выше) оценки за зачет, ответ на каждый из вопросов должен быть оценен на положительную оценку.
Время подготовки к ответу на билет в пределах 45-60 минут. Рекомендуется в процессе подготовки к ответу написание плана ответа, основных формул, диаграмм и т. д. на бумаге или на доске. Использование Интернет-ресурсов или печатных материалов в процессе подготовки к ответу на билет не допускается. Возможно использование записей, сделанных в процессе посещения лекций и практических занятий.
При этом получение положительной (удовлетворительно и выше) оценки за билет обязательно требует правильного изложения сути данного метода эпитаксиального роста. Другие критерии выставления оценки за ответ на вопрос билета изложены в Программе курса ТБ-1 «Теоретические основы физики твердого тела и эпитаксии наноструктур».
