УТВЕРЖДАЮ

  Директор ФТИ

  ___________ «____»_______________2013г

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Экспериментальные методы исследований

НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП

223200 Техническая физика

ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА)

Пучковые и плазменные технологии

КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ)  бакалавр

БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА  2013 г.

КУРС 3 СЕМЕСТР  6

КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ  6

ПРЕРЕКВИЗИТЫ Общая физика, математика, Введение в физику твердого тела.

КОРРЕКВИЗИТЫ Взаимодействие частиц и излучений с веществом, физика  поверхности и тонкие пленки, экспериментальные методы в исследовании конденсированного состояния.

ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:

ЛЕКЦИИ:                                24 час.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ        24

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ         час.

АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ  48  час.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА  60  час.

ИТОГО  108  час.

ФОРМА ОБУЧЕНИЯ  ОЧНАЯ

ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ  диф зачет.

ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ  кафедра общей физики ФТИ        

ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ  ______________________                         

                                                                               

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

                                                                               

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ  __________________________                                                                         

                                               2013

       

1. Цели освоения дисциплины

Целью изучения дисциплины является подготовка специалиста обладающего знаниями современного состояния теоретических основ и техники для исследования элементного, химического состава и структуры поверхности твердых тел. На базе полученных знаний, специалист должен  уметь осуществить правильный выбор методов анализа, необходимой для решения конкретной аналитической задачи. Курс предназначен дать представление о физических процессах, лежащих в основе методов анализа приповерхностной области материалов: образование вакансий на внутренних оболочках электронной структуры (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия) и переходы между энергетическими уровнями (электронный микроанализ и электронная оже-спектроскопия); распыление образца ионами, искровым разрядом, лазерным излучением (электронная и фотонная спектроскопия и энерго– и масс спектрометрия вторичных ионов и нейтральных частиц); электрон–электронные взаимодействия и пробеги электронов в твердом теле (спектроскопия электронных потерь энергии); дифракция электронов и рентгеновских лучей (дифракция электронов низких энергий и дифракция рентгеновских лучей) и т. д.;

Задача изучения дисциплины – получение теоретических знаний и практических навыков, связанных с использованием методов анализа поверхности твердого тела.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина "Экспериментальные методы исследований" относится к разряду дисциплин специализации бакалавров по программе подготовки «Техническая физика»

3. Результаты освоения дисциплины

После изучения курса "Экспериментальные методы исследований" студент должен:

Знать: физическийсмысл процессов при воздействии на поверхность температурой, электронами, ионами, электростатическими полями, излучением; основы построения установок для исследования поверхности твердого тела.

Уметь: выбрать экспериментальныйметоддля определения физических параметров поверхности и тонких пленок.

Владеть: начальными навыками электронного, ионного, рентгеновского, зондового, термо-десорбционного анализа материалов и основами действия установок для реализации этих методов.

В процессе освоения дисциплины у студентов  развиваются следующие компетенции:

Универсальные (общекультурные)

– способность к самообучению, управлению устранением пробелов в знаниях, касающихся методов анализа твердого тела

– способность работать в коллективах;

– владение навыками аргументации при выборе метода анализа для решения конкретных проблем физики твердого тела;

-способность  эффективно работать самостоятельно в качестве члена команды по междисциплинарной тематике, быть лидером в команде, консультировать по вопросам  проектирования научных подходов к проблемам.

Профессиональные

– владение базовыми навыками принятия решений в области анализа твердого тела;

– способность применять современные информационно-компьютерные технологии;

– владение навыками устной и письменной коммуникации в профессиональной сфере;

– владение специальной лексикой английского языка, основной терминологией своей профессиональной деятельности, перевода профессионального текста;

– интегрировать знания в смежных областяхнаучных исследований и решать  задачи, требующие креативного мышления  и оригинальности  в разработке концептуальных аспектов проектов научных исследований.

4. Структура и содержание дисциплины


4.1. Общие вопросы.

Модуль 1.

4.1.1. Строение поверхности.

4.1.2.Экспериментальные особенности диагностикиповерхности.

4.1.3.Явления, лежащие в основе методов исследования поверхности.

4.1.4.Теоретические основы методов ионной спектроскопии поверхности.

4.1.5.Теоретические основы методов электронной спектроскопии поверхности.

Модуль 2.

4.1.6.Теоретические основы методов структурного анализа.

4.1.7.Зондовые(не вакуумные) методы для исследования химического состава и топографии поверхности.

4.2. Структура дисциплины по разделам и формам организации дисциплины.

Название раздела/темы

Аудиторная работа

час

СРС

(час)

Итого

Лекции

Практ./сем.

3анятия

Первый семестр (Модуль 1)

4.1.1.Строение поверхности.

1. Основные понятия кристаллографии.

2. Индексы Миллера и Вейса

3. Кристаллическое строение идеальной поверхности.

4. Строение реальной поверхности.

5. Описание и обозначения поверхности.

6

1. Определение кристаллографических осей и плоскостей. Индексы Миллера и Вейса.

2. Описание кристаллической структуры поверхности.

2

2

2

2

3

4

4

9

4.1.2.Экспериментальные особенности диагностикиповерхности.

1. Требования к экспериментальным условиям при исследовании поверхности.

2. Вакуум и сверхвысокий вакуум.

3. Динамическая чистота поверхности.

4. Основные вакуумные узлы аналитических установок (электронная оптика, ионные и электронные пушки, энерго - и масс - анализаторы, детекторы, источники излучений).

8

1. Требования к экспериментальным условиям при исследовании поверхности.

2. Динамическая чистота поверхности.

3.Базовые схемыи основные параметры узлов аналитических установок.

2

2

2

2

2

2

4

4

4

4

12

4.1.3. Явления, лежащие в основе методов исследования поверхности.

1. Виды и сущность ионной эмиссии (вторичная, термическая, полевая и т. д).

2. Виды и сущность электроннойэмиссии (вторичная, термическая, полевая и т. д).

3. Рентгеновская фотоэлектронная эмиссия.

4. Процесс Ожеиожэ-электронная эмиссия.

5. Термоэлектронная (и термоионная) эмиссия.

6. Полевая электронная (и ионная) эмиссия.

8

1. Фотоэффект

2. Ренгеновское излучение

3. Эффект Ожэ.

5. Рентгеновская фотоэлектронная эмиссия.

6. Полевая электронная эмиссия.

7. Вторичная электронная эмиссия.

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

7

4

4

4

4

4

4

15

4.1.4. Теоретические основы методов электронной спектроскопии поверхности.

1Сведения из теории столкновений частиц.

2. Глубина выхода электронов и исследуемый объем вещества.
3.Процессы и эффекты при взаимодействии электронов с веществом.

4. Ударная электронная ионизация.

5. Плазмоны.

6.Средняя длина свободного пробега электронов в веществе.

7. Пробеги первичных электронов в твердых телах.

8

1. Расчеты сечений столкновений.

2. Расчеты глубин выхода электронов

3. Расчеты энергий плазмонов.

4. Расчеты средней длины свободного пробега электронов.

5. Расчет глубин проникновения первичных ионов и электронов.

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

4

4

4

4

4

12

4.1.5. Теоретические основы методов ионной спектроскопии поверхности.

1.Классификация механизмов ионного распыления.

2.Элементы теории ионного распыления поверхности за счет каскадов атомных столкновений.

3. Модели теплового пика.

4. Классификация процессов ионообразования.

5. Микропроцессы, ответственные за ионообразование.

6. Ионизации вторичных атомов в условиях распыления за счет каскадов атомных столкновений

7. Образования вторичных ионов при разрыве связей (Модель разрыва связей).

8. Плазмонная модель возбуждения вторичных атомов.

8. Термодинамическое описание процессов ионизации и возбуждения.

12

1.Расчет коэффициентов ионного распыления поверхности металлов в линейной каскадной теории распыления.

2. Расчет коэффициентов ионного распыления поверхности металлов в модели тепловых пиков.

2

2

2

2

10

4

4

22

4.1.6. Теоретические основы методов структурного анализа.

1.Дифракция излучений и частиц, корпускулярно-волновой дуализм.

2.  Дифракция электронов и ренгеновского излучения на кристаллической решетке.

3. Построение Эвальда.

4. Тепловые колебания решетки и факторДебая-Валлера.

5. Особенности рентгеновского структурного анализа поверхности.

6. Особенности электронного структурного анализа поверхности.

14

1. Дифракция излучений и частиц, корпускулярно-волновой дуализм.

2. Построение Эвальда.

2

2

2

2

10

4

4

24

4.1.7. Основы зондовых (не вакуумных) методов исследования топографии и химического состава поверхности.

1. Основы сканирующей туннельной микроскопия.

2. Основы атомной силовой микроскопии.

3. Зонды для сканирующей туннельной и атомной силовой микроскопии.

4. Преимущества совмещения зондовых микроскопических и оптических спектрометрических методов анализа.

5. Совмещение спектроскопии комбинационного рассеяния и атомно-силовой микроскопии.

6.

8

10

18

Конференц-недели (2 раза в семестре)

8

8

16

68

On-lineтестирование в системе MOODLE

20

20


6. Организация и учебно-методическое обеспечение

самостоятельной работы студентов

6.1. Текущая СРС

– работа с лекционным материалом, поиск литературы и интернет источников информации по темам  семинаров;

– курсовая работа (написание реферата с элементами проектирования);

– освоение системы MOODLEи on-lineтестирование в этой системе;

– изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;

– подготовка к экзаменам.

6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине:

Специалист на базе полученных знаний и самостоятельной работы,  должен  уметь осуществить правильный выбор  методов анализа и аналитических установок, необходимых для решения конкретной исследовательской задачи.

Научные  направления:

– Исследования элементного и химического состава поверхности;

– трехмерная топография  поверхности металлов  с разрешением 0,1 нм по вертикали и латеральном направлении;

–  исследования, проводимые на модулях комплекса Centaur.

       

Темы семинаров (примеры):

Основные параметры детекторов вторичных излучений для анализа поверхности. Требования к экспериментальным условиям при исследовании поверхности Базовые схемы аналитических установок. Основные типы и параметры ионных и электронных пушек Основные параметры, которым должны удовлетворять пучки частиц и излучений при исследовании поверхности Основные параметры, которым должны удовлетворять пучки частиц и излучений при исследовании поверхности Расчет основных параметров энергетических и масс-спектрометров Работа с реальными энергетическими спектрами. Работа с реальными дифракционными спектрами. Работа с реальными дифракционными спектрами.

6.4. Контроль самостоятельной работы: выступление на семинарах, студенческих научных конференциях, on-line тестирование, реферат с элементами проектирования, работа в webCT.

6.5. Учебно-методическое обеспечение  самостоятельной работы студентов:

ЛИТЕРАТУРА

Изотопный, химический и структурный анализ поверхности методами атомной физики. Томск: ТПУ, 2002, 198 с. овременные методы исследования поверхности.  - М.: Мир,1989. , . Физические методы исследования поверхности твердых тел. – М.: Наука, 1983. сновы анализа поверхности и тонких пленок. – М.: Мир,1989. , Методы и приборы для анализа поверхности материалов. – Киев: Наукова думка, 1982

ИНТЕРНЕТ РЕСУРСЫ

1. Курс в системе WebCTи MOODLE.

2. Персональный сайт преподавателя.

       ВИДЕОРЕСУРСЫ

1. Видеопроектор

7. Средства  (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины

1.On-lineтестирование в системеWebCT.

2. Экзамен.

Примеры экзаменационных  билетов по  дисциплине:

Билет № 1.

1. Перечислите все эмиссионные явления, возникающие при взаимодействии ионов с энергией 1–10 кэВ с поверхностью твердых тел и дайте определения важнейших параметров, которыми описываются эти явления.

2. Полевая электронная и полевая ионная эмиссии. Сущность и описание (на уровне диаграмм).

3. Какое максимальное давление должно быть в вакуумной камере, чтобы поддерживать поверхность чистой путем ее бомбардировки пучком ионов аргона с плотностью тока  10-5А/см2. Обоснуйте ответ. Коэффициенты распыления и прилипания положить равными единице.

Билет №2

1. Дайте определения коэффициента вторичной ионной эмиссии и степени ионизации вторичных ионов. Как эти величины связаны с коэффициентом распыления.

2. Идеальная и реальная поверхность твердого тела.

3. Определить максимальную энергию Емакс фотоэлектронов, вылетающих из металла при облучении ?-квантами с энергией Е=1,53 МэВ.

8.Рейтинг качества освоения модуль


Оценивающие мероприятия (модуль 2)

Кол-во

Баллы

On-line тест

6 

24

Подготовка и выступление на конфе-ренциях, семинарах, защита лабораторных работ.

14

28

Индивидуальные задания

2

8

Всего

60

Результаты обучения по дисциплине:

                                                                               

                                                                                               

       9. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ  И информационное обеспечение  дисциплины

ОСНОВНАЯ литература

Основы анализа поверхности методами атомной физики. Томск: ТПУ, 2012, 202 с. Синхротронное излучение. Методы исследование структуры вещества. / Под редакцией .–М, ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 672с. Изотопный, химический и структурный анализ поверхности методами атомной физики. Томск: ТПУ, 2002, 198 с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ литература

Синхротронное излучение. Дифракция и рассеяние. Сборник лекций. Школа молодых специалистов. ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 2009. –  90с. Синхротронное излучение в спектроскопии.- М.: МГУ, 2007. –161с. Синхротронное излучение. Методы исследование структуры вещества. / Под редакцией .– М.:,ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 672с

Программное обеспечение и интернет  ресурсы

       Электронный вариант курса: в системе MOODLE (http://mdl. lcg. tpu. ru:82) и на персональном сайте преподавателя: http://portal. tpu. ru/SHARED/n/NIKITENKOV.

10. Материально-техническое обеспечение дисциплины





№

Наименование дисциплин в соот­ветствии с учеб­ным планом

Наименование
специализированных аудиторий, кабинетов, лабораторий и пр. с перечнем основного оборудования

Форма владения, пользования (собственность, оперативное управление, аренда и т. п.)

1

2

3

4

1

Б3.В3 Основы анализа поверхности твердых тел и тонких пленок

Ауд. 204, 0-3 3-го корпуса ТРУ

Оборудование для плазменного насыщения материалов водородом

Оперативное управление

Атомно-силовой микроскоп микроскоп совмещенный с рамановским спектрометром.

Оперативное управление

Оперативное управление

Оперативное управление

Ауд.204

Установка ВИМС

Установка для изучения радиационно - и термостимулированного выхода.

Оперативное управление

Ауд. 303

Оперативное управление

Оборудование для электролитического внедрения водорода

Металлографический микроскоп.

Оборудование для изучения десорбции водорода из материалов под действием рентгеновского излучения

Оборудование ( компьютер и анализатор) для регистрации акустической эмиссии


Программа составлена на основе стандарта ООП ТПУ в соответствии с требования ФГОС по направлению  223200 Техническая физика.

Программа одобрена на заседании кафедры ВЭПТ ФТИ

Протокол № 8 от 28.06. 2013г.

Автор:

Рецензент: