Физика поверхности и тонкие пленки

Рабочая программа
Физика поверхности и тонкие пленки
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ФТИ, доцент
_______________Долматов О.Ю.
«____» _____________ 2012 г.
Рабочая программа дисциплины
Физика поверхности и тонкие пленки
Направление ООП подготовка бакалавров 223200 «Техническая физика»
Профиль подготовки «Пучковые и плазменные технологии»
Квалификация (степень) бакалавр
Базовый учебный план приема 2012 г.
Курс 4, семестр 7.
Количество кредитов 4
Виды учебной деятельности и временной ресурс:
Лекционные занятия
32 час.
Практические занятия
16 час
Аудиторные занятия
48 час.
Самостоятельная работа
48 час.
Итого
96 час.
Форма обучения – очная.
Вид промежуточной аттестации – диф. зачет.
Обеспечивающее подразделение - кафедра ВЭПТ ФТИ.
Заведующий кафедрой ВЭПТ
________________
Кривобоков В.П
Преподаватель
_________________
Соловьев А.А.
2012 г.
Рабочая программа
Физика поверхности и тонкие пленки
1. Цели освоения дисциплины
 Познакомить студентов с основами теории поверхности твёрдого тела и тонких
плёнок. Сформировать знания о физике явлений, происходящих при образовании и
эволюции поверхностей, физике их взаимодействия с окружающей средой, свойствах
тонких плёнок и других наноразмерных твёрдотельных образований. Это позволит им
осознать большую значимость процессов на поверхности твёрдого тела для технологий плазменного модифицирования материалов, роли поверхностных процессов
в задачах водородной энергетики и в других сферах деятельности.
 Формирование базовых знаний и комплекса умений, необходимых для решения задач
в области физики поверхности и тонких пленок.
 Усиление мотивации к получению знаний и умений в области профессиональной
подготовки по направлению 223200 - Техническая физика.
 Задачей преподавателя дисциплины является оказание содействия студентам в
процессе получения и усвоения знаний на лекционных и практических занятиях.
2. Место дисциплины в структуре ООП
 Дисциплина «Физика поверхности и тонкие пленки» относится к вариативной части
М1. В общенаучного цикла М1 основной образовательной программы 223200 Техническая физика.
Пререквизиты: курс предназначен для студентов, прослушавших курсы общей
физики, физики твёрдого тела, химии.
Кореквизиты: параллельно с данной дисциплиной могут изучаться курсы основы
плазменных и радиационных технологий, получение и применение пучков заряженных
частиц, плазменные покрытия.
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено на
формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т.ч. в
соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной
дисциплины
Знания
Основные
законы
естественнонаучных
дисциплин
в
профессиональной
деятельности и основные
физические
и
технологические
принципы исследования
физики
конденсированного
состояния.
Код
Умения
Определять,
систематизировать и
получать необходимые
данные в сфере своей
деятельности с
использованием новейших
методов исследования и
фундаментальных знаний.
Код
В. 1. 1
Код
У. 1. 1
Р1
Составляющие результатов обучения
З. 1. 1
Результаты
обучения
(компетенц
ии из
ФГОС)
Владение опытом
Методами физикоматематического
моделирования процессов и
объектов по направлению
профессиональной
деятельности с
использованием типовых
методик и известного
программного обеспечения.
2
Вопросы безопасности и
здравоохранения.
Нести ответственность за
профессиональную
деятельность.
Учесть влияние
профессиональной
деятельности на
окружающую среду.
В. 1. 2
В. 11. 1
У. 1. 2
У. 11. 1
Область применения используемых методов.
Разрабатывать
инновационные
теоретические подходы на
основе фундаментальных
знаний решения
нестандартных задач в
области профессиональной
деятельности.
В. 11. 2
З. 11. 2
Р11
Концепции формирования
глубокого
прогностического
понимания
фундаментальных
проблем и практических
методов их решения в
области
физики
конденсированного
состояния.
У. 11. 2
З. 11. 1
З. 1. 2
Рабочая программа
Физика поверхности и тонкие пленки
Способностью к разработке
научно и методологически
обоснованных схем для
научных исследований
физики твердого тела.
Юридическими аспектами
профессиональной
деятельности.
Способами оказания первой
медицинской помощи в
условиях профессиональной
деятельности и за ее
пределами.
В результате освоения дисциплины студентом должны быть достигнуты следующие
результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины
№ п/п
РД1
РД2
Результат
знать:
- методы исследования структуры, состава и физических свойств
поверхности и тонких пленок;
- методы получения полупроводниковых сверхтонких пленок;
- механизмы формирования наноразмерных структур;
- особенности формирования эпитаксиальных наноразмерных структур;
- процессы на поверхности твердых тел;
- теоретические основы зарождения и роста пленок.
- физическую сущность процессов, протекающих в проводящих,
полупроводниковых, диэлектрических, магнитных материалах и в
структурах, созданных на основе этих материалов, в том числе и при
воздействии внешних полей и изменении температуры.
- современные тенденции в развитии физики твёрдого тела и
полупроводников, приборов и устройств на их основе;
иметь представление о квантовых цепочках, нитях, точках.
уметь:
- решать материаловедческие задачи,
- выполнять количественные оценки
величины эффектов и
характеристических параметров с учётом особенностей кристаллической
структуры, электронного и фононного спектров, типа и концентрации
легирующих примесей;
- самостоятельно осваивать и грамотно применять результаты новых
экспериментальных и теоретических исследований в области физики
твёрдого тела и полупроводников;
3
Рабочая программа
Физика поверхности и тонкие пленки
РД3
РД4
РД5
- самостоятельно выбирать методы и объекты исследований;
владеть:
 стандартной терминологией, определениями и обозначениями;
 методами обоснованного выбора исследовательского оборудования,
оценкой эффективности его работы и адекватности поставленной
конкретной задаче;
 анализом и оценкой полученных результатов и аргументацией для
подтверждения сделанных на их основе выводов и принятых решений;
- рациональными методами анализа и обработки научно-технической
информации.
уметь осуществлять поиск и анализ необходимой информации,
формулировать проблему, выявлять возможные ограничения и
предлагать различные варианты ее решения; обосновывать свои
суждения и правильно выбирать методы поиска и исследования.
уметь составлять устные и письменные отчеты, презентовать и
защищать результаты работы в аудиториях различной степени
подготовленности; владеть современными информационными и
информационно-коммуникационными
технологиями,
инструментальными средствами для решения общих задач и для
организации своего труда.
4. Структура и содержание дисциплины
Объём теоретического раздела дисциплины – 1 семестр , 32 часа.
Объём практического раздела – 1 семестр, 16 часов.
4.1. Введение. Задачи курса. Взаимодействие атомов в твёрдом теле (4 часа/
всего 4)
4.1.1. Задачи и содержание курса.
4.1.2. Основные понятия и термины.
4.1.3. Взаимодействие атомов в твёрдом теле.
4.2. Явления на поверхности твёрдого тела (4 часа/ всего 8)
4.2.1. Поверхностная энергия, поверхностное натяжение.
4.2.2. Кипение и испарение жидкости.
4.2.3. Сублимация.
4.2.4. Давление насыщенных паров.
4.2.5. Конденсация.
4.3. Структура поверхности и структурные дефекты (4 часа/ всего 12)
4.3.1. Атомная структура чистых поверхностей. Релаксация и реконструкция.
4.3.2. Структурные дефекты поверхности.
4.3.2.1. Модель террас, ступеней и изломов (ГСИ).
4.3.2.2. Точечные дефекты.
4.3.2.3. Ступени, сингулярные и вицинальные поверхности.
4.3.2.4. Реальные примеры.
4.4. Сорбционные процессы (6 часов/ всего 18)
4.4.1. Реальная поверхность твёрдого тела и её взаимодействие с газовыми средами.
Адсорбция и десорбция.
4
Рабочая программа
Физика поверхности и тонкие пленки
4.4.2. Поверхностные фазы в субмонослойных системах адсорбат/подложка.
4.4.3. Состав поверхностных фаз. Покрытие адсорбата. Покрытие атомов подложки
4.4.4. Фазовая диаграмма.
4.4.5. Кинетика адсорбции.
4.4.6. Термическая десорбция.
4.4.7. Нетермическая десорбция.
4.4.8. Взаимодействие металлов с газовыми средами.
4.4.9. Сорбционные процессы при облучении и травлении поверхности твёрдого тела.
4.5.
са/ всего 22)
4.5.1.
4.5.2.
4.5.3.
4.5.4.
4.5.5.
4.5.6.
Объёмная диффузия вблизи поверхности и поверхностная диффузия (4 чаФизическая сущность и механизмы поверхностной диффузии
Случайные перемещения. Механизмы диффузии.
Законы Фика.
Диффузионный опыт.
Коэффициент диффузии и энергия активации диффузии.
Определение коэффициента диффузии.
4.6. Электронные свойства поверхности (6 часов/ всего 28)
4.6.1. Функционал плотности.
4.6.2. Модель желе.
4.6.3. Поверхностные состояния.
4.6.4. Электронная структура поверхности.
4.6.5. Поверхностная проводимость.
4.6.6. Эмиссия электронов и работа выхода.
4.6.7. Взрывная эмиссия.
4.7. Рост тонких плёнок (4 часа/ всего 32)
4.7.1. Механизмы роста.
4.7.2. Зарождение и рост островков.
5.
Практические занятия (16 часов)
5.1. Тема 1. Эпитаксиальный рост тонких плёнок (4 часа).
5.2. Тема 2. Методы осаждения тонких плёнок из паровой фазы (2 часа).
5.3. Тема 3. Атомные манипуляции и формирование наноструктур (4 часа).
5.4. Тема 4. Физические методы исследования состояния поверхности (6 часов)
5. Образовательные технологии
Лекционный материал данного курса представлен в среде Microsoft PowerPoint.
Презентации лекций содержат цветные иллюстрации для лучшего усвоения материала.
6. Организация и учебно-вспомогательное обеспечение
самостоятельной работы студентов
Текущая самостоятельная работа студентов включает в себя:
- проработку лекционного материала, обзор литературы по курсу;
- обсуждение литературных источников по теме на семинаре;
- подготовка к тестированию.
5
Рабочая программа
Физика поверхности и тонкие пленки
Оценка результатов самостоятельной работы происходит по результатам выполнения
тестирования, участия в семинарах, составленных другими подгруппами.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Оценка текущей успеваемости происходит по результатам проверочных работ
по лекционному материалу и защите реферата по заданной тематике.
Проверочная работа представляет собой вопросы по теоретическому материалу курса:
1. Кристаллическая структура твердого тела. Решетки Браве. Индексы Миллера.
Пример простого кристалла.
2. Атомная структура чистых поверхностей: Релаксация и реконструкция. Модель
террас-ступеней-изломов. Дефекты на поверхности.
3. Явление адсорбции. Физосорбция и хемосорбция. Кинетика адсорбции.
4. Явление десорбции. Кинетика десорбции.
5. Объёмная диффузия вблизи поверхности: Механизмы диффузии. Первый закон
Фика.
6. Виды эмиссии электронов и работа выхода.
7. Механизмы роста тонких плёнок.
8. Механизмы роста гетероэпитаксиальных пленок.
9. Принцип метода молекулярно-лучевой эпитаксии.
10. Методы осаждения тонких плёнок из паровой фазы.
11. Атомные манипуляции с помощью СТМ для формирования наноструктур.
12. Сканирующая электронная микроскопия. Принцип метода и его возможности.
13. Сканирующая туннельная микроскопия. Принцип метода и его возможности.
14. Атомно-силовая микроскопия. Принцип метода и его возможности.
15. Электронная спектроскопия. Методы и возможности.
16. Ионная спектроскопия. Методы и возможности.
Примерные темы рефератов:
1.
Влияние поверхности на работу полупроводниковых приборов.
2.
Природа поверхностных электронных состояний.
3.
Магнитные тонкие пленки.
4.
Поверхностное натяжение жидкости. Капиллярные явления.
5.
Этапы развития физики поверхности.
6.
Рентгеновская дифракция при скользящем падении лучей.
7.
Теоретические расчеты кристаллографии поверхности.
8.
Оптические свойства поверхности.
9.
Молекулярно-лучевая эпитаксия.
10.
Поверхностная сегрегация.
11.
Поверхностные свойства: Контактный потенциал и работа выход.
Оценка итоговой аттестации происходит по результатам сдачи экзамена. Экзаменационные билеты содержат вопросы по теоретическому материалу курса и дополнительные вопросы из практической части курса.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам (60 баллов – текущая
оценка в семестре, 40 баллов – промежуточная аттестация в конце семестра).
Рейтинг-план освоения дисциплины в течение семестров
6
Рабочая программа
Физика поверхности и тонкие пленки
Недели
Текущий контроль
9 неделя (конференц-неделя 1)
Тестирование
30
18 неделя (конференц-неделя 2)
Тестирование
30
Итого
60
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Рекомендуемая литература
Основная литература:
1. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику
поверхности. - М.: Наука, 2006, - 490 с.
2. Трушин Ю.В. Физическое материаловедение. — СПб.: Наука, 2000, 286 с.
3. Пичугин В.Ф. Материаловедение поверхности и гонких плёнок. Томск: Издательство «Ветер», 2007.-140 с.
4. Лифшиц В.Г., Репинский С.М. Процессы на поверхности твердых тел. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2003. – 700 с.
Дополнительная литература:
5. K. Oura, V. Lifshits, A. Saranin,A. Zotov, M. Katayama. Surface Science. An introduction. Springer, 2003, – 460 p.
6. Новое в исследовании поверхности твердого тела / Под ред. Джайадевайа и Ванселова. – М.: Мир.
7. Naumovets A.G., Zhenyu Zhang, Surf. Sci. – 2001.
14.
8. Tsong T. Atomic, molecular and cluster dynamics on flat and stepped surfaces, Progr.
Surf. Sci. 64. 199. 2000.
Программное обеспечение и Internet-ресурсы:
http://www.lib.tpu.ru/ - Научно-техническая библиотека ТПУ
http://elibrary.ru/ - Научная электронная библиотека
http://www.sciencedirect.com/
http://www.springerlink.com/
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Практическая составляющая данного курса осуществляется в компьютерном классе
кафедры ВЭПТ, оснащенном необходимым программным обеспечением и доступом в
интернет.
 Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями
ФГОС к подготовке бакалавров по направлению 223200 - Техническая физика.
Одобрена на заседании кафедры ВЭПТ
(протокол № ____ от «___» _______ 2012 г.).
Автор доцент каф. ВЭПТ, к.т.н. Соловьев А.А.
7
Рабочая программа
Физика поверхности и тонкие пленки
Рецензенты доцент каф. ВЭПТ, д.ф.-м.н Блейхер Г.А.
профессор каф. ВЭПТ, д.ф.-м.н. Янин С.Н.
8