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