Физические основы наноэлектроники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЛАДИВОСТОКСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СИСТЕМ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Рабочая программа дисциплины

по направлению подготовки

11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи. Интеллектуальные и оптические системы связи

Владивосток 2016

Рабочая программа дисциплины «Физические основы наноэлектроники» составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направлению подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи. Интеллектуальные и оптические системы связи» и «Порядком организации и осуществления образовательной деятельности по образовательным программам высшего образования – программам бакалавриата, программам специалитета, программам магистратуры» (утв. приказом Минобрнауки России от 01.01.01 г. № 000)

Составители:

, Ассистент кафедры информационных технологий и систем, Artem. *****@***ru

Утверждена на заседании кафедры ИТС от 01.01.2001 г., протокол № 9

Заведующий кафедрой (разработчика) _____________________ 

                                          подпись                 фамилия, инициалы

«____»_______________2016 г.

Заведующий кафедрой (выпускающей) _____________________  _________________

                                          подпись                 фамилия, инициалы

«____»_______________2016 г.

1 Цель и задачи освоения дисциплины

Целью освоения дисциплины «Физические основы наноэлектроники» является ознакомление студентов с основными понятиями, достижениями и перспективами современной полупроводниковой наноэлектроники; формирование у студентов необходимых знаний основных законов, определяющих физические свойства объектов нанометрового масштаба и структур с пониженной размерностью; ознакомление с основными подходами, используемыми в техно-логии формирования наноструктур; ознакомление с основными достижениями и перспективами полупроводниковой наноэлектроники

Задачи освоения дисциплины состоят в:

1) формирование у студентов необходимых знаний основных зако - нов, определяющих физические свойства объектов нанометрового мас - штаба и структур с пониженной размерностью;

2) ознакомление с основными подходами, используемыми в техно - логии формирования наноструктур;

3) ознакомление с основными достижениями и перспективами по - лупроводниковой наноэлектроники.

2 Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине, соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы

Планируемыми результатами обучения по дисциплине, являются знания, умения, владения и/или опыт деятельности, характеризующие этапы/уровни формирования компетенций и обеспечивающие достижение планируемых результатов освоения образовательной программы в целом. Перечень компетенций, формируемых в результате изучения дисциплины, приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Формируемые компетенции

Название ОПОП ВО (сокращенное название)	Компетенции	Название компетенции	Составляющие компетенции
11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи. Интеллектуальные и оптические системы связи» (Б-ИК)	ОПК-2	способностью решать стандартные задачи профессиональной деятельности на основе информационной и библиографической культуры с применением инфокоммуникационных технологий и с учетом основных требований информационной безопасности	Знания:	законы и методы накопления, передачи и обработки информации с помощью компьютера
Умения:	использовать возможности вычислительной техники и программного обеспечения
Владения:	способностью понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества
ПК-17	способность применять современные теоретические и экспериментальные методы исследования с целью создания новых перспективных средств электросвязи и информатики	Знания:	принципы и основные алгоритмы работы устройства цифровой обработки сигналов
Умения:	Применять современные экспериментальные методы исследования
Владения:	методы исследования с целью создания перспективных средств связи

3 Место дисциплины в структуре основной образовательной программы

Отнесение дисциплины к вариативной части ОПОП определяется спецификой и миссией ВГУЭС, а также особенностями взаимодействия ВГУЭС с рынком труда и региональными требованиями, выраженными в результатах образования и компетенциях.

Входными требованиями к изучению дисциплины «Физические основы наноэлектроники» является наличие у студентов знаний физики и математики в объеме программы средней школы. В частности, для изучения дисциплины необходимо общее знакомство с цепями постоянного и переменного тока, с законами Ома, Фарадея и Джоуля, с законом сохранения энергии и понятиями интеграла, производной и комплексного числа. Из вузовского курса физики необходимо знание разделов: «Электричество и магнетизм», «Электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе», «Электрический ток», «Уравнения Максвелла», «Электромагнитное поле».

4. Объем дисциплины

Объем дисциплины в зачетных единицах с указанием количества академических часов, выделенных на контактную работу с обучающимися (по видам учебных занятий) и на самостоятельную работу по всем формам обучения, приведен в таблице 2.

Название ОПОП

Форма обучения

Цикл

Семестр курс

Трудоем-кость

Объем контактной работы (час)

СРС

Форма аттестации

(З. Е.)

Всего

Аудиторная

Внеаудитор- ная

лек.

прак.

лаб.

ПА

КСР

Б-ИК

ОФО

Бл1.В

3

3

34

17

–

17

–

–

74

З

Таблица 2 – Общая трудоемкость дисциплины

5 Структура и содержание дисциплины

5.1 Структура дисциплины

Тематический план, отражающий содержание дисциплины (перечень разделов и тем), структурированное по видам учебных занятий с указанием их объемов в соответствии с учебным планом, приведен в таблице 3.

Таблица 3 – Структура дисциплины

№	Название темы	Вид занятия	Объем час	Кол-во часов в интерактивной и электронной форме	СРС
1	Тема 1. Физические свойства объектов нанометрового масштаба, классификация основных подходов формирования наноструктур (2 часа)	Лекция	2	–	9
2	Тема 2. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), как метод контроля и модификации поверхности кристаллов на атомном уровне (2 часа)	Лекция	2	–	9
Лабораторная работа	9	–	–
3	Тема 3. Структура атомарно-чистых поверхностей кремния. Поверхностные фазы адсорбатов на кремнии (2 часа)	Лекция	2	–	9
Лабораторная работа	4	–	–
4	Тема 4. Формирование наноструктур с помощью СТМ (2 часа)	Лекция	2	–	9
Лабораторная работа	4	–	–
5	Тема 5. Формирование наноструктур с использованием процессов самоорганизации на атомарном уровне (2 часа)	Лекция	2	–	10
6	Тема 6. Фуллерены: формирование, структура, свойства (2 часа)	Лекция	2	–	9
7	Тема7. Углеродные нанотрубки (2 часа)	Лекция	2	–	9
8	Тема 8. Обзор основных достижений и перспективных задач наноэлектроники (3 часа)	Лекция	3	–	10

5.2 Содержание дисциплины

1. Тема 1. Физические свойства объектов нанометрового масштаба, классификация основных подходов формирования наноструктур (2 часа)

Введение в предмет, рассмотрение физических процессов, определяющих свойства объектов нанометрового масштаба, основные определения (квантовые пленки, квантовые точки, квантовые  проволоки, объекты пониженной размерности и др.), основные подходы формирования наноструктур (процессы самоорганизации, управление атомными процессами).

2. Тема 2. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), как метод контроля и модификации поверхности кристаллов на атомном уровне (2 часа)

История создания сканирующей туннельной микроскопии, принцип работы, устройство и аппаратура, основные режимы (режим постоянной высоты, режим постоянного тока, режим сканирующей туннельной спектроскопии), возможности, демонстрация изображений, полученных с помощью метода СТМ.

3. Тема 3. Структура атомарно-чистых поверхностей кремния. Поверхностные фазы адсорбатов на кремнии (2 часа)

Кремний как основной материал полупроводниковой электроники, его физические свойства и кристаллическая структура, атомное строение основных граней монокристаллического кремния, осаждение адсорбатов на поверхность кремния и формирование поверхностных фаз, характеристики субмонослойных пленок адсорбатов (покрытие адсорбата, поверхностная плотность атомов подложки, суперструктура), фазовая диаграмма системы “адсорбат-кремний”, примеры поверхностных фаз.

4. Тема 4. Формирование наноструктур с помощью СТМ (2 часа)

Основные технологические приемы формирования наноструктур с помощью СТМ (осаждение атома с иглы СТМ на поверхность, испарение атома с поверхности, перемещение атома вдоль поверхности), физические процессы, используемые для атомных манипуляций (меж-8 атомное взаимодействие, электростатические эффекты в сильных полях, электронно-стимулированные процессы), примеры наноструктур, сформированных с помощью метода СТМ.

5. Тема 5. Формирование наноструктур с использованием процессов самоорганизации на атомарном уровне (2 часа)

Процессы самоорганизации на примере роста островковых пленок, распределение нанокластеров по размеру, нанокластеры повышенной стабильности при фиксированном размере (“магические нанокластеры”), возможность формирования упорядоченных массивов нанокластеров идентичного размера (искусственный двумерный кристалл), модификация нанокластеров.

6. Тема 6. Фуллерены: формирование, структура, свойства (2 часа)

Графит и алмаз как известные формы существования углерода, фуллерены как новая форма углерода, история открытия фуллеренов, способы их получения и структура, легирование фуллеренов, фуллерит,  физические свойства, адсорбция фуллеренов на поверхности монокристаллов.

7. Тема 7. Углеродные нанотрубки (2 часа)

Углеродные нанотрубки, история открытия, многостенные и одностенные нанотрубки, размер и структура углеродных нанотрубок, электронные и физические свойства нанотрубок, возможные перспективы их применения.

8. Тема 8. Обзор основных достижений и перспективных задач наноэлектроники (3 часа)

Современное состояние исследований в области полупроводниковой наноэлектроники, основные достижения и результаты, перспективы использования на практике при производстве электронной аппаратуры.

6. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

В ходе изучения дисциплины «Физические основы наноэлектроники» студенты могут посещать аудиторные занятия (лекции, лабораторные занятия, практические занятия, консультации).

Особое место в овладении частью тем данной дисциплины может отводиться самостоятельной работе, при этом во время аудиторных занятий могут быть рассмотрены и проработаны наиболее важные и трудные вопросы по той или иной теме дисциплины, а второстепенные и более легкие вопросы, а также вопросы, специфичные для направления подготовки, могут быть изучены студентами самостоятельно.

В соответствии с учебным планом направления подготовки процесс изучения дисциплины может предусматривать проведение лекций, лабораторных занятий, консультаций, а также самостоятельную работу студентов. Обязательным является проведение лабораторных занятий в специализированных компьютерных аудиториях, оснащенных подключенными к центральному серверу терминалами или персональными компьютерами.

Ниже перечислены предназначенные для самостоятельного изучения студентами очной формы обучения те вопросы из лекционных тем, которые во время проведения аудиторных занятий изучаются недостаточно или изучение которых носит обзорный характер.

Тема 1 Физические свойства объектов нанометрового масштаба, классификация основных подходов формирования наноструктур (4 часа)

Введение в предмет, рассмотрение физических процессов, определяющих свойства объектов нанометрового масштаба, основные определения (квантовые пленки, квантовые точки, квантовые проволоки, объекты пониженной размерности и др.), основные подходы формирования наноструктур (процессы самоорганизации, управление атомными процессами).

Тема 2 Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), как метод контроля и модификации поверхности кристаллов на атомном уровне (4 часа)

История создания сканирующей туннельной микроскопии, принцип работы, устройство и аппаратура, основные режимы (режим постоянной высоты, режим постоянного тока, режим сканирующей туннельной спектроскопии), возможности, демонстрация изображений, полученных с помощью метода СТМ.

Тема 3 Структура атомарно-чистых поверхностей кремния. Поверхностные фазы адсорбатов на кремнии (6 часов)

Кремний как основной материал полупроводниковой электроники, его физические свойства и кристаллическая структура, атомное строение основных граней монокристаллического кремния, осаждение адсорбатов на поверхность кремния и формирование поверхностных фаз, характеристики субмонослойных пленок адсорбатов (покрытие адсорбата, поверхностная плотность атомов подложки, суперструктура), фазовая диаграмма системы “адсорбат-кремний”, примеры поверхностных фаз.

Тема 4. Формирование наноструктур с помощью СТМ (6 часов)

Основные технологические приемы формирования наноструктур с помощью СТМ (осаждение атома с иглы СТМ на поверхность, испарение атома с поверхности, перемещение атома вдоль поверхности), физические процессы, используемые для атомных манипуляций (меж-8 атомное взаимодействие, электростатические эффекты в сильных полях, электронно-стимулированные процессы), примеры наноструктур, сформированных с помощью метода СТМ.

Тема 5. Формирование наноструктур с использованием процессов самоорганизации на атомарном уровне (6 часов)

Процессы самоорганизации на примере роста островковых пленок, распределение нанокластеров по размеру, нанокластеры повышенной стабильности при фиксированном размере (“магические нанокластеры”), возможность формирования упорядоченных массивов нанокластеров идентичного размера (искусственный двумерный кристалл), модификация нанокластеров.

Тема 6. Фуллерены: формирование, структура, свойства (6 часов)

Графит и алмаз как известные формы существования углерода, фуллерены как новая форма углерода, история открытия фуллеренов, способы их получения и структура, легирование фуллеренов, фуллерит, физические свойства, адсорбция фуллеренов на поверхности мо - нокристаллов.

Тема 7. Углеродные нанотрубки (6 часов)

Углеродные нанотрубки, история открытия, многостенные и одно - стенные нанотрубки, размер и структура углеродных нанотрубок, электронные и физические свойства нанотрубок, возможные перспективы их применения.

Тема 8. Обзор основных достижений и перспективных задач наноэлектроники (6 часов)

Современное состояние исследований в области полупроводниковой наноэлектроники, основные достижения и результаты, перспективы использования на практике при производстве электронной аппаратуры.

7. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы

В процессе самостоятельной работы при изучении дисциплины студенты могут использовать в специализированных аудиториях терминалы, подключенные к центральному серверу, обеспечивающему доступ к современному программному обеспечению, необходимому для изучения дисциплины, а также доступ через локальную сеть университета к студенческому файловому серверу и через информационно-телекоммуникационную сеть «Интернет» к электронной образовательной среде и к хранилищу полнотекстовых материалов, где в электронном виде располагаются учебно-методические и раздаточные материалы, которые могут быть использованы для самостоятельной работы при изучении дисциплины.

8. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации

В соответствии с требованиями ФГОС ВО для аттестации обучающихся на соответствие их персональных достижений планируемым результатам обучения по дисциплине созданы фонды оценочных средств (Приложение 1).

9. Перечень основной и дополнительной учебной литературы, необходимой для освоения дисциплины

а) основная литература

1.  Патрушева . Современные технологии микро - и наноэлектроники: учеб. пособие для студентов вузов / ; М-во образования и науки РФ, Сиб. федерал. ун-т. - М. ; Красноярск : ИНФРА-М : Сиб. федер. ун-т, 2014. - 260 с. - (Высшее образование : Бакалавриат).

2.  Игнатов, А. Н.. Классическая электроника и наноэлектроника: учебное пособие для студ. Вузов, обучающихся по направлению 210400 «Телекоммуникации» / , , . – М.: Флинта: Наука, 2009. – 728 с.

3. . Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники: учебное пособие для студ. вузов / . - М. : Высш. образование : Юрайт-Издат, 2009. - 463 с. : ил. - (Основы наук).

4. (мл.). Нанотехнологии: учебное пособие для студентов вузов / (мл.), Ф. Оуэнс ; пер. с англ. по ред. . - 5-е изд.,испр. и доп. - М. : Техносфера, 2010. - 336 с. : ил. - (Мир материалов и технологий).

5. . Электроника и микропроцессорная техника: учебник для студентов вузов, обуч. по направл. подготовки бакалавров и магистров "Биомедицинская инженерия", "Биомедицинская техника" / , . - 6-е изд,, стер. - М. : КНОРУС, 2016. - 798 с. - (Бакалавриат).

б) дополнительная литература

1. Ткалич основы наноэлектроники: Учебное пособие / , , . – СПб.: СпбГУ ИТМО, 2011. – 83 с.

10. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»

а) интернет-ресурсы

1. Journal of Applied Physics (http://jap. aip. org/)

rface Science Reports (http://www. journals. /surfacescience-reports/)

11. Перечень информационных технологий

Для проведения лекционных и лабораторных занятий рекомендуется использовать программное обеспечение: операционная система Windows 7 и выше, пакет Microsoft Office 2010 и выше, обслуживающие программы и среды разработки программ по выбору преподавателей.

12. Электронная поддержка дисциплины

При изучении дисциплины для проработки всех тем и выполнения заданий по всем темам студенты могут использовать различные учебно-методические материалы, размещаемые в электронном виде преподавателями на студенческом файловом сервере, в хранилище полнотекстовых материалов, а также в электронной образовательной среде, которая предполагает также возможность обмена информацией с преподавателем для подготовки заданий. Доступ студентов к студенческому файловому серверу, хранилищу полнотекстовых материалов, электронной образовательной среде осуществляется с использованием с использованием учетных записей студентов.

13. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Для проведения лекций по дисциплине используются специализированные аудитории
с мультимедийным оборудованием или с возможностями подключения к такому оборудованию, позволяющему демонстрировать на большом экране приемы работы с персональным компьютером и другой лекционный материал (технические характеристики компьютера, входящего в состав мультимедийного оборудования или используемого совместно с таким оборудованием, должны обеспечивать возможность работы с современными версиями операционной системы Windows, пакета Microsoft Office, обслуживающих, прикладных программ и другого, в том числе и сетевого программного обеспечения).

Для проведения лабораторных занятий по дисциплине и для самостоятельной работы студентов используются специализированные аудитории, оснащенные терминалами и персональными компьютерами, подключенными к центральному серверу, обеспечивающему технические характеристики обслуживания терминалов или персональных компьютеров, позволяющие при проведении лабораторных занятий использовать современное программное обеспечение (операционную систему Windows 7 и выше, пакет Microsoft Office 2010 и выше, а также обслуживающие программы и среды разработки программ по выбору преподавателей).