экспериментальная физика наноструктур

Программа учебного курса
Московский инженерно-физический институт
(государственный университет)
"Утверждаю"
Декан факультета ЭТФ
____________ Беляев В.Н.
«____» ____________ 200_ г.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР
Объем (общее количество часов) – 70, аудиторных 48.
Кафедра-исполнитель – "Сверхпроводимость и физика наноструктур"
Автор (авторы) программы –доцент Руднев И.А.
Для каких групп читается – Т8-38, Е8-02
Сведения об утверждении/ рассмотрения программы – Программа утверждена на заседании
кафедры.
Аннотация В курсе даются сведения о различных низкоразмерных физических системах. Рассматриваются методы их приготовления и исследования. Основное внимание уделяется технике проведения физических экспериментов с низкоразмерными объектами и обсуждению физических причин наблюдаемых явлений. Рассматриваются основные области применения
наноструктур.
Учебная задача Обучение студентов экспериментальным методам исследования и практического применения физических свойств различных наноструктур.
Структура курса: лекции – 32 часа, лабораторные работы – 16 часов.
Формы контроля: итоговый – экзамен
Входные компетенции студентов.
Студент должен
знать
понятия и методы математического анализа: дифференциальное исчисление, интегральное исчисление и функции многих переменных; обыкновенные дифференциальные уравнения; теорию вероятности и математическую статистику; необходимое и достаточные условия экстремума функционала, ряды и интеграл Фурье, прямое и обратное преобразование Фурье общую схему и методы решения уравнений в частных производных , специальные функции математической физики;
физику: механику, молекулярную физику и основы статистической термодинамики,
электричество и магнетизм, волны и оптику;
химию: химические элементы и их соединения, методы и средства химического исследования вещества;
термодинамику: идеальных, Ферми- и Бозе-газов;
квантовую механику: квантование свободного электромагнитного поля;
теоретические основы электротехники: основные понятия и законы электрических и
магнитных цепей; методы анализа цепей постоянного и переменного токов; материалов
электронной техники и их электрофизических свойств,
физических основ электроники: характеристик и параметров p-n – перехода, принципов
действия полупроводниковых и электронных приборов;
1
физику твердого тела: основы зонной теории, электрон-фононное взаимодействие.
уметь составлять и решать системы уравнений, описывающих распространение волн и
частиц, использовать математические методы в технических приложениях, рассчитывать основные числовые характеристики случайных величин, решать основные задачи
квантовой механики; решать уравнения и системы дифференциальных и интегральных
уравнений, применительно к реальным процессам; применять методы решения задач
анализа и расчета характеристик механических и электромагнитных системах, использовать основные приемы обработки экспериментальных данных; составлять и анализировать химические уравнения, соблюдать меры безопасности при работе с электротехническим оборудованием; рассчитать параметры полупроводниковых и электронных
приборов по их вольтамперных характеристикам, грамотно использовать их в простейших электронных цепях; использовать стандартные пакеты прикладных программ для
решения практических задач на ПЭВМ.
владеть методами математического анализа и моделирования; методами решения задач
анализа и расчета характеристик физических систем, основными приемами обработки
экспериментальных данных; основными методами работы на ПЭВМ в том числе методами работы с прикладными программными продуктами; методами решения дифференциальных уравнений в частных производных, основными теоретическими методами
для анализа экспериментальных данных,
Выходные компетенции студентов.
Студент должен
знать: Типы и виды наноструктур. Квантовые ямы, проволоки, точки. Понятие гетеропереходов. Свойства германия и кремния. Свойства полупроводниковых соединений типа AIIIBV. Характеристики Твердые растворы (тройные сплавы) на основе соединений AIIIBV. Мелкие доноры и мелкие акцепторы. Дельта-легирование.
Понятие эпитаксии. Принципы молекулярно-лучевой эпитаксии. Особенности МЛЭ.
Критическая температура эпитакии. Оптическая, электронная и рентгеновская литография. Методы изготовления электрических контактов. Особенности двух и четырехконтактой схемы измерений. Классический эффект Холла в случае одного и двух
типов носителей. Метод Ван-дер-Пау. Измерение и применение вольтфарадных характеристик. Принципы резонансного туннелирования. Вольт-амперные характеристики двух- и трехбарьерного резонансно-туннельного диода. Генерация микроволнового излучения в квантово-размерных диодных резонансно-туннельных структурах.
Понятие двумерного электронного газа. Целочисленный и дробный квантовый эффект
Холла. Осцилляции Шубникова де Гааза. Понятие люминесценции. Особенности фотолюминесценции. Люминесценция свободных экситонов. Идентификация примесей.
Фотолюминесценция квантово-размерных структур. Физические основы автоэлектронной эмиссии. Теория Фаулера-Нордгейма. Полевая эмиссионная микроскопия.
Автоэлектронный и автоионный микроскопы. Принципы зондовой микроскопии.
Сканирующий туннельный микроскоп. Режимы обратной связи. Параметры, влияющие на туннельный ток. Принципы атомно-силовой микроскопия. Контактная, полуконтактная, бесконтакная моды. Просвечивающая электронная микроскопия высокого
разрешения. Свойства и характеристики углеродные нанотрубок. Хиральность. Методы получения нанотрубок. Практическое использование нанотрубок. Применение
наноструктур.
уметь: применять фундаментальные законы в области физики наноструктур для самостоятельного комбинирования и синтеза реальных идей, применять теоретические
и компьютерные методы исследований в области физики наноструктур,
2
производить поиск нужной информации в специальной научно-технической и патентной литературе по тематике исследований и разработок, применять экспериментальные методы электрофизических, оптических и структурных исследования наноструктур;
владеть методами измерения вольтамперных, вольфарадных, магнитных, оптических
и структурных характеристик нанообъектов.
Содержание курса
Тема 1. Введение.
Место наноразмерных объектов в окружающем нас мире. Подходы «снизу в вверх» и
«сверху вниз». Манипуляции на квантовом уровне. Низкоразмерные физические системы.
Квантовая механика – основа физики наноразмерных структур. Типы и виды наноструктур.
Квантовые ямы, проволоки, точки.
Тема 2. Понятие гетеропереходов.
Гетеропереходы на основе полупроводников. Свойства германия и кремния. Свойства
полупроводниковых соединений типа AIIIBV. Твердые растворы (тройные сплавы) на основе
соединений AIIIBV. Мелкие доноры и мелкие акцепторы. Дельта-легирование.
Тема 3. Методы приготовления наноструктур.
Понятие эпитаксии. Соизмеримость решеток. Лазерное и магнетронное распыление.
Принципы молекулярно-лучевой эпитаксии. Особенности МЛЭ. Критическая температура эпитакии. Оптическая, электронная и рентгеновская литография. Методы изготовления электрических контактов.
Тема 4. Электрические методы исследования.
Вольт-амперные характеристики. Особенности двух и четырехконтактой схемы измерений. Классический эффект Холла в случае одного и двух типов носителей. Метод Ван-дер-Пау.
Тема 5. Резонансно-туннельный диод.
Принципы резонансного туннелирования. Вольт-амперные характеристики двух- и
трехбарьерного резонансно-туннельного диода. Влияние температуры на свойства РТД. Генерация микроволнового излучения в квантово-размерных диодных резонансно-туннельных
структурах. Вольтфарадные характеристики структур с квантовыми ямами.
Тема 6. Квантовые явления в двумерном электронном газе.
Понятие двумерного электронного газа. Целочисленный и дробный квантовый эффект
Холла. Осцилляции Шубникова де Гааза. Экспериментальное изучение квантового эффекта
Холла в двумерном электронном газе.
Тема 7. Оптические методы исследования наноструктур.
Понятие люминесценции. Флуоресценция, фосфоресценция, фотолюминесценция, электролюминесценция, радиолюминесценция, хемилюминесценция, кандолюминесценция. Особенности фотолюминесценции. Стоксовые потери. Люминесценция свободных экситонов. Фононные повторения. Экситонно-примесные уровни. Идентификация примесей. Фотолюминесценция квантово-размерных структур.
Тема 8. Автоэлектронная и автоионная эмиссия.
Физические основы автоэлектронной эмиссии. Теория Фаулера-Нордгейма. Полевая
эмиссионная микроскопия. Автоэлектронный и автоионный микроскопы. Увеличение и разрешение эмиссионных микроскопов. Требование к игле. Основные направления автоэмиссионных исследований.
Тема 9. Сканирующая зондовая микроскопия нанообъектов.
Принципы зондовой микроскопии. Сканирующий туннельный микроскоп. Режимы обратной связи. Параметры, влияющие на туннельный ток. Принципы атомно-силовой микроскопия. Контактная, полуконтактная, бесконтакная моды.
Темы 10. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения.
3
Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа. Реплики. Контраст.
Тема 11. Нанотрубки.
Свойства и характеристики углеродные нанотрубок. Одностенные и многостенные нанотрубки. Методы получения нанотрубок. Хиральность. Связь диаметра и индексов хиральности.
Дефекты нанотрубок.
Тема 12. Применение наноструктур.
Практическое использование нанотрубок. Применение полупроводниковых наноструктур. Мембраны. Нанодисперсные материалы.
Литература.
Основная
№№
Шифр
1.
530
Л22
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том 3. Квантовая механика.
Нерелятивистская теория. М.: Наука, 1989, 768 с.
2.
537
Б81
539.2
К55
Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников: учеб. Пособие
для вузов - М.: Наука, 1990.- 685с.
Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси ; пер. с яп. - М. : Бином. Лаборатория
знаний, 2005. - 134 с.
3.
Дополнительная
№№
Шифр
1.
2.
3.
4.
5.
6.
539.2
Х21
Дж.М. Мартинес-Дуарт, Р.Дж. Мартин-Палма, Ф.Агулло-Руеда. Нанотехнологии для микро и оптоэлектроники. М.: Техносфера, 2007.
Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века
/Харрис П.; Пер. с англ. - М. : Техносфера, 2003. - 336 с.
Ч. Пул-мл., Ф.Оуэнс .Нанотехнологии. 3-е издание. М.: Техносфера, 2007.
Н.Герасименко, Ю.Пархоменко. Кремний – материал для наноэлектроники. М.:
Техносфера, 2007.
539.2 В.А. Кашурников, А.И. Маймистов. Современные проблемы физики твердого
К31
тела. Ч.1. Целый и дробный квантовые эффекты Холла. М.: МИФИ, 2001.
621.38 Зондовые нанотехнологии в электронике / В. К. Неволин. - М. : Техносфера,
Н40
2005. - 147 с.
4