РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
advertisement
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «УТВЕРЖДАЮ»: Проректор по учебной работе _______________________ /Л.М. Волосникова/ __________ _____________ 2011г. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления подготовки бакалавров: Нанотехнологии и микросистемная техника (222900.62), очной формы обучения «ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»: Автор работы: _____________________________/Е.С. Бриков/ «______»___________2011г. Рассмотрено на заседании кафедры Радиофизики, «____» ________ 2011г., Протокол №__ Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению. «РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»: Объем _________стр. Зав. кафедрой ______________________________/А.А. Кислицын/ «______»___________ 2011 г. Рассмотрено на заседании УМК института математики, естественных наук и информационных технологий, «____» ____________ 2011г., Протокол №__ Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы. «СОГЛАСОВАНО»: Председатель УМК ________________________/И.Н. Глухих/ «______»_____________2011 г. «СОГЛАСОВАНО»: Зав. методическим отделом УМУ_____________/_____________________/ «______»_____________2011 г. © Е.С. Бриков РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт Математики, естественных наук и информационных технологий, Кафедра Микро- и нанотехнологий Евгений Сергеевич Бриков ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления подготовки бакалавров: НАНОТЕХНОЛОГИИ МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА (222900.62), очной формы обучения Тюменский государственный университет 2011 1 © Е.С. Бриков УДК: 541.183/.183.7:: 539.23:: 536.42:: 536.49::378.141.4 Бриков, Евгений Сергеевич. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления подготовки бакалавров: НАНОТЕХНОЛОГИИ МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА (222900.62), очной формы обучения. Тюмень, 2011, 11 стр. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки. Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Термодинамические свойства наноматериалов. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления подготовки бакалавров: НАНОТЕХНОЛОГИИ МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА (222900.62), очной формы обучения [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный. Рекомендовано к изданию кафедрой Микро- инанотехнологий. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета. ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: зав. кафедрой проф. А.А. Кислицын © Тюменский государственный университет, 2011. © Бриков Евгений Сергеевич, 2011. 2 © Е.С. Бриков 1. Пояснительная записка: 1.1. Цели и задачи дисциплины: Сформировать знания у обучаемых о термодинамических свойствах наноструктур в следующих методических направлениях: исследования низко размерных структур; методы задания теплофизических свойств кристаллической сверхструктурой; эпитаксиальное выращивание кристаллических материалов; термо-кинетические явления на поверхностных границах раздела сред. Задачи настоящего курса дисциплины – сформировать навыки применения современных теоретических моделей, прикладных оценочных расчётов, технических средств и оборудования на практике. 1.2. Дисциплина относиться к циклу дисциплин «профессионального цикла» учебного плана подготовки бакалавров по направлению «Нанотехнологии и микросистемная техника» и является основной для формирования знаний о современных методах термодинамики наносистем. Студенты, обучающиеся по направлению «Нанотехнологии и микросистемная техника» (222900.62) и приступающие к освоению дисциплины, для успешного её изучения должны владеть: базовыми методами основ Математики, в частности: интегральным и дифференциальным исчислением (естественнонаучный цикл). базовыми знаниями в области общей Физики, термодинамики и молекулярной физики (математика и естественнонаучный цикл), в частности: молекулярно-кинетическая теория газов, элементы кристаллографии. базовыми знаниями в области электротехники (профессиональный цикл), в частности: устройство современных электротехнических приборов, в том числе, электровакуумных. 1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной ООП ВПО. В результате освоения ООП бакалавриата выпускник должен обладать следующими компетенциями: готов учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3). способен собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научнотехническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6). готов аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик материалов и компонентов нано- и микросистемной техники (ПК-11). В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: термодинамические методы исследования низко размерных структур; методы задания теплофизических свойств кристаллической сверхструктурой; методы эпитаксиального выращивания кристаллических материалов; основные термо-кинетические явления на поверхностных границах раздела сред. Уметь: применять методы низко размерной кристаллографии; проводить анализ взаимосвязи молекулярного, атомарного строения и теплофизических свойств наносистем; использовать различные режимы теплофизичесих процессов в вакууме; применять различные способы формирования эпитаксиальных наносистем; 3 © Е.С. Бриков проводить теплофизические и десорбционные исследования поверхностей и наноструктур. Владеть: навыками применения современных термодинамических технологий исследования и формирования наноструктур. 2. Структура и трудоемкость дисциплины. Таблица 1. Объём учебных часов на дисциплину по семестрам. Вид учебной работы Семестры 6 36 Аудиторные занятия (всего) В том числе: Лекции 18 Практические занятия (ПЗ) 18 Семинары (С) Лабораторные работы (ЛР) 36 Самостоятельная работа (всего) Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) Экзамен Общая трудоемкость час 72 зачётных ед. 2 Тематический план. Таблица 2. Тематический план 1 1. 2. 2 Модуль 1 Введение в низко размерную кристаллографию. Методы исследования низко размерных структур. Молекулярное, атомарное строение и теплофизические свойства наносистем. Методы задания теплофизических свойств кристаллической сверхструктурой. 3 Итого часов по теме Итого количество баллов Самостоятельная работа недели семестра Тема Семинарские (практические) занятия Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. № Лекции 3. 4 5 6 7 8 2 2 4 8 0 – 11 2 2 4 8 0 – 14 4 4 8 16 0 – 25 2 2 4 8 0 – 11 2 4 2 4 4 8 8 16 0 – 14 0 – 25 2 2 4 8 0 – 11 1-2 3-4 Всего Модуль 2 1. 2. Методы эпитаксиального выращивания кристаллических структур низких размерностей. Вакуум и термо-кинетические процессы. 5-6 7-8 Всего Модуль 3 1. Термо-кинетические явления на поверхностных границах 911 4 © Е.С. Бриков 2. раздела сред и способы формирования наносистем. Теплофизические способы исследования поверхностей. 1215 Всего 4 4 8 16 0 – 14 6 6 12 24 0 – 25 4 4 8 16 0 – 25 4 18 4 18 8 36 16 72 0 – 25 0 – 100 Модуль 4 1. Десорбционная спектроскопия. 1618 Всего Итого (часов, баллов): 0-6 - - - - - - - - 0 – 11 - - - - - - - 0 – 14 другие формы - электронные практикум - комплексные ситуационные задания - программы компьютерного тестирования лабораторная работа 0-4 эссе ответ на семинаре - Информацио нные системы и технологии реферат собеседование - Технические формы контроля тест коллоквиумы Письменные работы контрольная работа Устный опрос № темы Итого количество баллов Таблица 3. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля Модуль 1 Введение в низко размерную кристаллографию. Методы исследования низко размерных структур. Молекулярное, атомарное строение и теплофизические свойства наносистем . Методы задания теплофизических свойств кристаллической сверхструктурой. Всего: Модуль 2 Методы эпитаксиального выращивания кристаллических структур 0-10 - - 0-4 0-6 0-9 0 – 25 0-15 - 0-6 - - 5 - - - - - 0 – 11 © Е.С. Бриков низких размерностей. Вакуум и термокинетические процессы. - - Всего: Модуль 3 Термокинетическ ие явления на поверхностных границах раздела сред и способы формирования наносистем . Теплофизические способы исследования поверхностей. - 0-10 - - 0-10 0-9 - - - - - - - 0 – 25 0-15 - 0-15 0 – 14 - - - - - - - 0 – 11 0 – 14 Всего: Модуль 4 Десорбцион -ная спектроскопия. 0-6 0-10 - - Всего: Итого (баллов): 0-10 0-10 40 0 – 25 0-15 - 0-15 - - - - - - - 0 – 25 0 – 25 0 – 100 0-15 60 Таблица 4. Планирование самостоятельной работы студентов № Модули и темы Модуль 1 1.1 1.2 Введение в низко размерную кристаллографию. Методы исследования низко размерных структур. Молекулярное, атомарное строение и теплофизические свойства наносистем. Методы задания теплофизических свойств кристаллической сверхструктурой. Виды СРС обязательные дополнительные работа с литературой составление Составление логической презентации схемы (выбору) конспект, реферат, составление логической схемы, выполнение проверочного теста Рассмотрение самостоятельно предложенного примера 6 Неделя семестра Объем часов Кол-во баллов 1-2 4 0 – 11 3-4 4 0 – 14 © Е.С. Бриков Всего по модулю 1: Модуль 2 2.1 2.2 Методы эпитаксиального выращивания кристаллических структур низких размерностей. Вакуум и термокинетические процессы. Всего по модулю 2: Модуль 3 3.1 Термо-кинетические явления на поверхностных границах раздела сред и способы формирования наносистем. Теплофизические способы исследования поверхностей. Всего по модулю 3: Модуль 4 3.1 Десорбционная спектроскопия. 8 0 – 25 работа с литературой составление логической схемы Составление презентации (выбору) 5-6 4 0 – 11 конспект, реферат, составление логической схемы, выполнение проверочного теста Интервьюировани е педагогов, учёных физиков, техников и составление словаря новых терминов (работа в малых группах) 7-8 4 0 – 14 работа с литературой составление логической схемы, конспект, реферат, составление логической схемы, выполнение проверочного теста составление логической схемы, конспект, реферат, составление логической схемы, выполнение проверочного теста работа с литературой составление логической схемы, конспект, реферат, составление логической схемы, выполнение проверочного теста Всего по модулю 4: ИТОГО: Рассмотрение самостоятельно предложенного примера Интервьюирование педагогов, учёных физиков, техников и составление словаря новых терминов (работа в малых группах) 8 0 – 25 9-11 4 0 – 11 12-15 8 0 – 14 12 0 – 25 16-18 8 0 – 25 8 38 0 – 25 1 – 100 Во время контрольных недель преподаватель подводит итоги освоения содержания дисциплины каждым студентом на текущий момент в соответствии с Положением «О рейтинговой системе оценки успеваемости студентов в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный университет»», утверждённым Решением Учёного совета Тюменского государственного университета от 18.01.2010, протокол №1. 4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами Таблица 5. Обеспечивающие дисциплины. 7 © Е.С. Бриков № п/п 1. 2. 7. Наименование Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечивающих обеспечиваемых (последующих) дисциплин (предыдущих) дисциплин 1 2 Математика и Интегральное и математический анализ дифференциальное (цикл математика и исчисление естественнонаучный цикл) Общая физика, МолекулярноЭлементы кристаллографии термодинамика и кинетическая теория молекулярная физика газов. (цикл математика и естественнонаучный цикл) Электротехника Устройство современных (профессиональный электротехнических цикл) приборов (электровакуумные приборы) Таблица 6. Обеспечиваемые дисциплины. № Наименование Темы дисциплины необходимые для изучения п/п обеспечиваемых обеспечиваемых (последующих) дисциплин (последующих) дисциплин 1 1. Методы измерений микроДесорбционные методы измерений и наноструктур материалов (дисциплина профессионального цикла) 2. Вакуумная техника и Эпитаксиальный синтез наноразмерных структур технологии (дисциплина профессионального цикла) 5. Содержание дисциплины. Модуль 1 Введение в низко размерную кристаллографию. Методы исследования низко размерных структур. Методы описания кристаллических систем. 2-х мерные кристаллические структуры. Понятия о 2-х мерных: примитивных ячейках; ячейках Вигнера-Зейца; векторах элементарных трансляций. 3-х и 2-х мерные решётки Бравэ, их графическое изображение. Индексы Миллера. Низко индексные плоскости кристаллов. Методы обозначения высоко индексных ступенчатых поверхностей (матричная запись и запись Вуда суперструктуры поверхности). Двумерная обратная решётка. Зоны Брилюэна, их применение для определения физических свойств. Методы сканирующей зондовой микроскопии. Особенности использования дифракционных методов. Молекулярное, атомарное строение и теплофизические свойства наносистем. Методы задания теплофизических свойств кристаллической сверхструктурой. Особенности энергетических спектров и физических свойств кристаллических структур различной размерности. Особенности гетероструктур, кристаллических сверхструктур. Виды реконструкции и релаксации атомарной структуры поверхности (чистой и с адсорбатом), причины их возникновения. Механизм автокомпенсации. Процессы, сопровождающие реконструкцию поверхности. Модуль 2 Методы эпитаксиального выращивания кристаллических структур низких размерностей. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Твёрдофазная эпитаксия. Газо-фазная 8 © Е.С. Бриков эпитаксия. Жидкостная эпитаксия. Химическая лучевая эпитаксия. Металлорганическое химическое осаждение из пара (эпитаксия). Виды применяемого оборудования и конструкции реакторов. Термические кинетики роста. Вакуум и термо-кинетические процессы. Величины давлений в сверхвысоком вакууме. Необходимость в сверхвысоком вакууме для исследований поверхности. Потоки, падающих на поверхность молекул газа; время образования моно слоя. Модуль 3 Термо-кинетические явления на поверхностных границах раздела сред и способы формирования наносистем. Способы приготовление атомарно чистой поверхности. Напыление в вакууме. Зависимость величины потока атомов и молекул на подложку. Используемые источники напыления, испарители в зависимости от напыляемого вещества. Экспозиция. Методы изучения атомарной структуры поверхности. Атомная структура поверхностей с адсорбентом. Скорость адсорбции в активационном случае. Модель адсорбции Лэнгмюра (диссоциативная и не диссоциативная). Коэффициент прилипания и кинетика адсорбции. Учёт подвижности продуктов диссоциации. Порядок кинетики. Прекурсорная адсорбция и её модель. Внешние и собственные прекурсоры. Скорость адсорбции в случае равенства энергий собственного и внешнего прекурсоров. Зависимость кинетикаи адсорбции от температуры. Модель прекурсорной адсорбции взаимодействующих адсорбентов. Примеры сравнения модели с экспериментом. Теплофизические способы исследования поверхностей. Температурная зависимость коэффициента прилипания для различных типов адсорбции. Скорости десорбции и адсорбции из прекурсорного состояния. Начальный коэффициент прилипания в зависимости от температуры, угла и кинетической энергии. Термическая десорбция, её скорость (модель Полани-Вигнера). Порядок кинетики в моделях десорбции, нецелый порядок кинетики. Энергия и кинетика десорбции (зависимость от покрытия, термодинамического состояния, энергии активации). Дифференциальный поток десорбирующихся молекул при тепловом равновесии. Модуль 4 Десорбционная спектроскопия. Десорбционная спектроскопия и её методы (изотермический, программирования температуры), режимы получения данных. Характеристическая температура (методы определения), её зависимость. Модельные кривые кинетик разного порядка, используемые в десорбционной спектроскопии, предположения, при которых они строятся. Экспериментальные спектры десорбционной спектроскопии для многослойных покрытий. Получение изотермы адсорбции из кинетических зависимостей. Модельные предположения (их применимость) на кинетику адсорбции и десорбции законов: Генри, Лэнгмюра. 2-х мерная конденсация, уравнение Хилла-ДеБура, аналогия с 3-х мерным случаем. Многослойная адсорбция. Изотерма Брунауэра, Эммета и Теллера (модель и её ограничения, значения коэффициентов). Особенности моделей послойного роста. Не термическая десорбция её виды, использование, в частности, для исследований. 6. Планы семинарских занятий. 6.1. Низко размерная кристаллография. Методы исследования. 6.2. Молекулярное, атомарное строение и теплофизические свойства наносистем. Методы задания теплофизических свойств кристаллической сверхструктурой. 6.3. Эпитаксиальное выращивание кристаллических структур низких размерностей. 6.4. Вакуум и термо-кинетические процессы. 6.5. Термо-кинетические явления на поверхностных границах раздела сред и способы формирования наносистем. 6.6. Теплофизические способы исследования поверхностей. Энергия и кинетика десорбции. 9 © Е.С. Бриков 6.7. Десорбционная спектроскопия. Изотермы зависимостей. Модельные предположения. адсорбции 7. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины из кинетических работы студентов, 7.1. Выполнение рефератов (самостоятельная работа). Объём печатной работы не должен превышать 10 страниц с соответствующим оформлением титульного листа, оглавления, текста, рисунков, фотографий, диаграмм, заключения, выводов и списка литературы. Предлагаемые темы рефератов: 1. Термические свойства наноматериалов. 2. Теплопроводность наноматериалов 3. Тепловые свойства композиционных наноматериалов. 4. Термокинетические характеристики поверхностных реакций. 5. Термические эффекты в кристаллических структурах. 6. Зависимость свойств материалов на наноразмерном уровне после термической обработки. 7. Эпитаксиальные методы создания наноструктур. 7.2. Проверочные тесты: Тесты (для проверки освоения дисциплины и самостоятельной работы) составляются по содержанию методического материала дисциплины или по содержанию реферата, который предоставил обучаемый. Образовательные технологии. Интервьюирование и беседа с профессиональными физиками и техниками. Разбор конкретных ситуаций использования современных физико-технических достижений в научных, исследовательских, социально-экономических задачах и для решения проблем наноструктурированного материаловедения и нанотехнологий, микросистемой техники. 8. 9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины Литература. 1. Суздалёв И.П., Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. Изд. 2-е, испр., М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009, 592с. 2. Оура К.. и др., Введение в физику поверхности, Ин-т автоматики и процессов упр. ДВО РАН, М.: Наука, 2006, 490с. 10. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины. Видео записи и презентации лекционного материала. 10 © Е.С. Бриков Дополнения и изменения к рабочей программе на 201 / 201 учебный год В рабочую программу вносятся следующие изменения: _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры _________________________________________________ « »_______________201 г. Заведующий кафедрой ___________________/___________________/ Подпись 11 Ф.И.О.
