Строение вещества и квантовые эффекты в нанотехнологиях

Вопросы вступительного экзамена в докторантуру по специальности
6D074000 «Нанотехнологии и наноматериалы» (по областям применения)
Строение вещества и квантовые эффекты в нанотехнологиях
1.1 Электронные состояния в твердых телах. Энергетические полосы. Подвижность
электронов. Энергия Ферми. Зоны Бриллюэна.
1.2 Эффективная масса электрона. Плотность электронных состояний. Электроны и дырки.
1.3 Основные тип твердых тел. Металлы. Электропроводность. Оптические свойства.
Зонная структура. Ионные кристаллы. Энергия связи кристаллов. Ковалентные кристаллы.
Зонная структура. Молекулярные кристаллы.
1.4 Корпускулярно-волновой дуализм. Волновые свойства частиц, гипотеза де Бройля.
1.5 Уравнение Шредингера. Строение атома.
1.6 Запрет Паули. Неопределенность Гейзенберга.
1.7 Распад ядер. Критическая масса.
1.8 Квантование уровней энергии, понятия зонной теории, валентной зоны и зоны
проводимости, туннелирование, квантовая яма.
1.9. Квантовые эффекты в нанотехнологиях. Квантовая яма, нить, точка: особенности
строения энергетических зон.
1.10 Ускорители. α, β, γ - излучение. Рентгеновские лучи.
Нанокластеры.
Технологии
получения
наноматериалов.
Инструменты
нанотехнологий. Нанокомпозиты. Защитные нанопокрытия и методы их получения.
2.1 Основные свойства нанокластеров и области практического применения структур на их
основе. Методы получения кластеров, магические числа. Квантовые точки. Роль процессов
самоорганизации. Методы модификации свойств нанокластеров.
2.2 Классификация наноматериалов: по природе матрицы, по форме фаз, по способу
получения. Нанослои, нанопленки, наночастицы, нанотрубки, нанопоры.
2.3 Тонкие структурированные пленки. Методы получения: метод эпитаксии, химическое
парофазное осаждение веществ, метод молекулярного наслаивания, технология ЛенгмюраБлоджетт.
2.4 Технология получения металлосодержащих наноразмерных частиц. Конденсационные и
диспергирующие методы. Термодинамические и физико-химические свойства наночастиц.
2.5 Нанослойные покрытия, их свойства и область применения. Предпосылки для их
получения. Особенности строения, толщина и ее влияние на физико-механические
свойства. Титановые покрытия (TiAlN, TiN, TiCN).
2.6 Типы нанопокрытий. Нанокомпозитные покрытия, особенности их структуры,
влияние на износостойкость и прочностные характеристики материала, в том числе и в
условиях действия циклических термомеханических напряжений.
2.7 Методы получения нанопокрытий: CVD (Сhemical Vapor Deposition). Химическое
осаждение. Эволюция CVD покрытий. Многослойные покрытия СVD. MT-CVD- покрытия.
Адгезия MT-CVD покрытий.
2.8 Покрытия PVD (Physical Vapor Deposition) или КИБ (конденсация с ионной
бомбардировкой). Покрытия DLC (Diamond Like Coatings)
Углеродные наноструктуры
3.1 Общие представления об углеродных наноструктурах, их свойствах, формах и
применении. – углеродные молекулы, углеродные кластеры, углеродные нанотрубки.
3.2 Природа углеродной связи. Новые углеродные структуры. Углеродные кластеры.
Малые углеродные кластеры.
3.3 Открытие фуллерена С60. Структура фуллерена С60 и его кристаллов. С60, легированный
щелочными металлами. Сверхпроводимость в С60. Фуллерены с числом атомов большим
или меньшим 60. Неуглеродные шарообразные молекулы.
3.4 Получение и свойства углеродных нанотрубок. Электрические свойства. Колебательные
свойства. Механические свойства.
3.5 Применение углеродных нанотрубок: полевая эмиссия и экранирование, компьютеры,
топливные элементы, химические сенсоры, катализаторы, механическое упрочнение.
Полимерные материалы
4.1 Классификация синтетических полимерных материалов (СПМ). Представления о
технологии полимеров и материалов на их основе. Ведущие классы полимерных
материалов, структура их мирового производства.
4.2 Фазовые, агрегатные и физические состояния полимеров: краткая характеристика и
значение для практики.
4.3 Механика разрушения полимерных тел и анизотропия прочностных свойств. Факторы,
определяющие прочность СПМ, способы повышения их прочностных характеристик.
4.4 Краткая оценка механических, диэлектрических и адгезионных свойств полимеров.
Основные области практического применения отдельных типов СПМ (в том числе в
машиностроении).
Фотонные кристаллы
5.1 Понятие оптической сверхрешетки. Общие представления о фотонных кристаллах как
объекте нанотехнологий.
5.2 Дифракция на одномерной, двумерной, трехмерной сверхрешетке. Зонная теория.
5.3 Фотонная запрещённая зона. Получение фотонных кристаллов. Применения фотонных
кристаллов. Фотонные кристаллы в природе.
Физические свойства полупроводниковых материалов.
6.1 Определения и примеры полупроводников. Влияние примесей на удельное
сопротивление и проводимость. Выпрямительные свойства полупроводников.
6.2 Фотоэлектрические свойства полупроводников.
Двуполярная проводимость в
полупроводниках. Термоэлектрические явления в полупроводниках. Эффект Холла в
полупроводниках.
6.3 Элементарная теория механизма действия транзистора. Собственная проводимость
полупроводников. Примесная проводимость в полупроводниках. Доноры и акцепторы.
Подвижность и удельная электропроводность.
6.4 Статистика электронов и дырок. Статистика Ферми. Случай собственного
полупроводника. Применение теории к полупроводнику р-типа. Применение теории к
полупроводнику n-типа. Применение теории к полупроводнику, содержащему как доноры,
так и акцепторы.
6.5 Уравнение непрерывности для концентрации избыточных неосновных носителей.
Соотношения Эйнштейна.
6.6 Теория р-n перехода. р-n переход в равновесном состоянии. Обратный и прямой токи
через p-n переходы. Использование p-n переходов в качестве эмиттеров. Емкость барьера.
6.7 Теория контактов металл-полупроводник. Расчет электрической характеристики
идеального выпрямителя. Контакт металла с полупроводником р-типа.
6.8 Оптические свойства полупроводников и фотоэлектрические эффекты. О квантовой
природе света. Фотопроводимость. Фотогальванические эффекты. Фотоэлектронные
умножители. Флуоресценция и фосфоресценция в полупроводниках. Фотоэлектронная
эмиссия полупроводников.
6.9 Термоэлектрические эффекты в полупроводниках. Вычисление термо-эдс и удельной
термо-эдс. Эффекты Пельтье и Томсона. Эффект Холла. Происхождение напряжения
Холла. Измерение величин напряжения и константы Холла.
6.10 Приготовление и очистка германия. Создание переходов методом вытягивания
кристаллов.
Электричество и магнетизм
7.1 Электростатика. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электростатического поля.
7.2 Электричество. Электрический ток. Закон Ома. Работа и мощность тока. Конденсаторы
и их типы.
7.3 Магнитное поле в вакууме. Законы Био-Савара-Лапласа и Ампера. Движение
заряженных частиц в магнитном поле. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея.
7.4 Магнитные поля. Магнитные линзы. Взаимосвязь магнитного поля с электрическим
полем.
7.5 Трансформаторы напряжения и тока. Повышающий и понижающий трансформаторы.
Разделительные трансформаторы. Высоковольтные трансформаторы и высоковольтные
линии.
Наноэлектроника
8.1 Закон Мура. Одноэлектронный транзистор. Туннельный диод.
8.2 Нанокомпьютеры. Квантовые компьютеры.
8.3 Светодиоды. Лазеры. Квантовая оптоэлектроника
8.4 Микроэлектромеханические структуры. Понятие о микроэлектромеханических
системах.
Методы исследования и испытания материалов. Электронная микроскопия.
9.1 Предел разрешения оптического микроскопа. Критерий Рэлея. Дуализм «волначастица». Физические предпосылки к созданию электронного микроскопа.
9.2 Принципы работы электронного просвечивающего микроскопа. Устройство
электронного просвечивающего микроскопа.
9.3 Принципы работы растрового электронного микросопа. Устройство электронного
сканирующего микроскопа.
9.4 Принципы работы ионно-полевого микроскопа. Полевой ионный микроскоп:
физические принципы, преимущества и недостатки. Безлинзовый полевой ионный
микроскоп – ионный проектор.
9.5 Принципы работы сканирующего туннельного микроскопа. Измерение туннельного
тока как принцип действия сканирующего туннельного микроскопа. Работа СТМ в режиме
постоянной высоты и в режиме постоянного тока.
9.6 Принципы работы атомно-силового микроскопа. Работа атомно-силового микроскопа.
Силы взаимодействия зонда с поверхностью в АСМ. Режимы работы АСМ. Сканирующая
зондовая микроскопия в металлах и сплавах.
9.7 Принципы работы ближнепольного оптического микроскопа. Нанолитография.
Принцип действия магнитной линзы.
9.8 Общая характеристика поведения материалов при механическом нагружении. Влияние
вида внешнего воздействия и геометрии образца (концентраторы напряжений) на
напряжѐнное состояние при нагружении. Упругие свойства и неполная упругость. Закон
Гука, модули упругости. Природа упругости твѐрдых тел. Разрушение материалов. Хрупкое
и вязкое разрушение. Хладноломкость. Влияние внешних факторов воздействия на
процессы разрушения (цикличность и локальность нагружений, среды, температура).
9.9 Методы механических испытаний и оборудование испытаний. Статические испытания
на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, определение прочностных и пластических свойств.
Методика испытаний на вязкость, разрушение, трещиностойкость. Определение предела
ползучести и длительной прочности. Динамические испытания на ударный изгиб.
Испытания на твѐрдость. Методики определения предела выносливости, циклической
трещиностойкости. Испытания на износ. Приборы для измерения микротвердости и их
применение для оценки свойств и структуры материалов. Возможности интерферометра и
профилографа для измерения микротопографии и микрорельефа поверхности.
9.10 Магнитные свойства. Факторы, влияющие на магнитные характеристики. Принципы
разработки магнитомягких и магнитожестких материалов. Методы определения магнитных
свойств и их применение для решения материаловедческих задач. Магнитная
дефектоскопия. Электрические свойства. Термоэлектрические свойства и их использование
в материаловедении.
9.11 Природа термического расширения твѐрдых тел. Материалы с заданным
температурным коэффициентом модуля упругости и температурным коэффициентом
линейного расширения. Плотность материалов, еѐ определение, использование для
характеристики металлов. Дилатометрический анализ и его применение для решения
материаловедческих задач. Теплоѐмкость. Методы определения теплоѐмкости и их
применение для решения металловедческих задач.
9.12 Особая роль поверхности в процессах деформационного упрочнения, хрупкого и
усталостного разрушения, ползучести в условиях трения, износа, схватывания, коррозии
металлов и обеспечении эксплуатационной стойкости деталей машин.
9.13 Цели, способы, приборы для исследования макроструктуры материалов. Возможности
макроанализа в определении плотности материала, структуры литого металла и сварных
швов, размера и ориентации зерен волокнистой структуры деформированного металла,
неоднородного строения после термической, химико-термической, термомеханической
обработки, многослойных и композитных структур, видов излома.
9.14 Основы черчения. Аксонометрическая проекция. Примеры построения
аксонометрической проекции на основе ортогональной проекции.
9.15 Элементы конструирования. Допуски и посадки. Класс обработки материалов.
Оптика
10.1 Оптика. Скорость света. Шкала электромагнитных волн. Рассеивающие и собирающие
линзы. Линза Френеля.
10.2 Геометрическая оптика. Люминесценция и фосфоресценция.
10.3 Природа света. Корпускулярная и волновая теории света. Преломление света.
10.4 Понятие когерентности световых волн. Интерференция света. Опыт Юнга. Зеркала
Френеля.
10.5 Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля.
10.6 Дифракция света на дифракционной решетке. Условие максимума.
10.7 Рентгеновские лучи. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Формула ВульфаБрэгга.
10.8 Дисперсия света. Разложение белого света в спектр.
10.9 Поглощение света. Закон Бугера.
10.10 Спектральный анализ излучения.
10.11 Эффект Доплера.
10.12 Поляризация света. Поляризация при преломлении и отражении света. Закон
Брюстера.
10.13 Тепловое излучение и его характеристики.
10.14 Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина.
Основы статистической обработки экспериментальных результатов
11.1 Элементарные оценки ошибок измерения. Случайные и систематические погрешности.
Грубые промахи. Методы определения погрешности измерения. Последовательность
первичной обработки экспериментальных данных.
11.2 Дисперсионный анализ, его задачи и возможности. Корреляционная зависимость и
регрессионный анализ. Основные виды регрессионных зависимостей. Построение
эмпирических формул и расчѐт их параметров. Метод наименьших квадратов как
статистический метод вычисления коэффициентов регрессии.
11.3 Основные приемы графической интерпретации результатов измерения. Графики,
гистограммы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1.
Гусев А.И. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника-2008
Издательство: Техносфера, 2008 г. 438 с.
2.
Сергеев Г.Б. Нанохимия. Издательство: КДУ, 2007 г. 336 стр.
3.
Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. Издательство:
ФИЗМАТЛИТ, 2010 г. 456 с.
4.
Шайв Дж. Физические свойства и конструкции полупроводниковых приборов
(перевод с английского под редакцией д.т.н., проф. Г.А.Тягунова), М. – Л., Госэнергоиздат,
1963, 552 с с илл.
5.
Рамбиди Н.Г. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры. Издательство:
ФИЗМАТЛИТ. 2010 г.256 с.
6.
Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Вологжанина С.А., Петкова А.П. Нанотехнологии и
специальные материалы. Издательство: Химиздат, 2010, 336 с.
7.
Пул-мл Ч.., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. Серия Мир материалов и технологий. 5-е изд.
Издательство: Техносфера, 2010, 340 с.
8.
Тагер А. А. Физикохимия полимеров. М. : Химия, 1978.
9.
Балабанов В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. /В.И. Балабанов. - М.: Эксмо, 2008.
- 256 с.
10. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. / Н. Кобаяси, пер. с япон. - М.: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2005. - 134 с.
11. Поляков С.В.. Численные методы для моделирования электронных процессов в
квантовых структурах. Вестник ННГУ, Серия "Математическое моделирование и
оптимальное управление", 2005, вып. 1(28), c. 200-207.
Дополнительная:
1. "Нанотехнология сегодня и завтра", Вохидов А. С., Добровольский Л. О. / Станочный
парк №5(61), Санкт-Петербург, 2009 - с. 38-42.
2. "Увеличение эксплуатационных свойств инструмента при использовании поверхностноактивных веществ", Бойко В. М., Физулаков Р. А., ОАО "КнААПО".
3. "Инновационные функциональные покрытия для режущего инструмента", Верещака
А.А., Верещака А.С, Зинченко Г.В., Козлов А.А., Устинов А.А. ИКТИ РАН, МГТУ
"СТАНКИН", МГТУ "МАМИ".
4. Поляков С.В., Федирко В.А.. Программный комплекс для моделирования катодного
микроузла с полупроводниковым автоэмиттером. // Прикладная физика, 2008, вып. 2, с. 4855.
5. Попов И.В., Поляков С.В.. Построение адаптивных нерегулярных треугольных сеток для
двумерных многосвязных невыпуклых областей. Математическое моделирование. 2002,
14(6), 25-35.
6. Поляков С.В.. Экспоненциальные схемы для решения эволюционных уравнений на
нерегулярных сетках. // Ученые записки казанского государственного университета. Серия
"Физико-математические науки", 2007, т. 149, кн. 4, с. 1-11.
7. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. /М. Рыбалкина. - М.: Nanotechnology News
Network, 2006. - 444 с.