ЛИСТ СОГЛАСОВАНИЯ от ____.____.2015 Содержание: УМК по дисциплине «Методы измерений микро- и наноструктур материалов» для студентов направления 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника», форма обучения очная Автор: Журавский Д.В. Объем 25 стр. Должность Заведующий кафедрой микрои нанотехнологий ФИО Кислицын А.А. Дата согласования Результат согласования 28.05.2015 Рекомендовано к электронному изданию Протокол заседания кафедры от 28.05.2015 № __ Протокол заседания УМК от 01.06.2015 №8 Председатель УМК Физикотехнического института Креков С.А. 01.06.2015 Согласовано Директор ИБЦ Ульянова Е.А. 30.06.2015 Согласовано Примечание МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Физико-технический институт Кафедра микро- и нанотехнологий Журавский Д.В. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР МАТЕРИАЛОВ Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника», форма обучения очная Тюменский государственный университет 2015 Журавский Дмитрий Валерьевич. Методы измерений микро- и наноструктур материалов. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника», форма обучения очная. Тюмень, 2015, 25 стр. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом рекомендаций и ПрОП ВО по направлению и профилю подготовки. Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Методы измерений микро- и наноструктур материалов [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru , раздел «Образовательная деятельность», свободный. Рекомендовано к изданию кафедрой микро- и нанотехнологий. Утверждено директором Физико-технического института. ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: Кислицын А.А., д. ф.-м. н., профессор, зав. кафедрой микро- и нанотехнологий. © Тюменский государственный университет, 2015. © Журавский Д.В., 2015. 1. Пояснительная записка 1.1 Цели и задачи дисциплины (модуля) Цель дисциплины – сформировать знания у обучаемых о современных методиках измерения микро- и наноструктур материалов в следующих методических направлениях: Методы фиксации при измерениях наноструктур. Основные методы спектроскопии, используемые для диагностики состава поверхностных слоев. Основные методы дифракции и рассеянья, используемые для диагностики состава поверхностных слоев. Основные методы микроскопии и микро- и наносистемной техники, используемые для диагностики состава поверхностных слоев. Применение явлений взаимодействия излучения, ионов и частиц для исследования наноматериалов и наноструктур. Освоение комплекса современных идей и методов измерений в нанотехнологиях как теоретически, так и практически в ходе выполнения лабораторных работ. Основная задача настоящего курса дисциплины – сформировать у обучаемых: Знания современных методов измерений микро- и наноструктур материалов, основанных на физических явлениях взаимодействия излучения, ионов и элементарных частиц с веществом в конденсированном состоянии. Умения применять современные методы измерений и способы последующей интерпретации результатов. Представления о перспективных направлениях развития методов измерений микрои наноструктур. Умения использовать методы зондовой микроскопии и выполнять доступный цикл измерительных работ на лабораторном практикуме комплекта "NanoEducator". Знания о свойствах рентгеновского излучения и умения проводить цикл измерительных работ по рентгеноструктурному и рентгенофазовому анализу. Знания основных понятий и физических идей, заложенных в основу электронной спектроскопии. Знания основных понятий и физических идей, заложенных в основу рентгеновской спектроскопии. Знания основных методов спектроскопии в оптическом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах и умения выполнять доступный цикл измерительных работ на спектрометрах этого типа. Знания основных методов радиоспектроскопии и умения выполнить доступный цикл измерительных работ на спектрометре ядерного магнитного резонанса. Знания основных понятий и физических идей, заложенных в основу мессбауэровской спектроскопии. Знания современных метрологических российских и зарубежных стандартов в области нанотехнологий. 1.2 Место дисциплины в структуре образовательной программы Дисциплина «Методы измерений микро- и наноструктур материалов» относиться к дисциплинам по выбору Блока 1 «Дисциплины (модули)» учебного плана подготовки бакалавров по направлению: 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника» и является основной для формирования знаний о современных методах измерений микро- и наноструктур для практического применения в технологиях синтеза наноматериалов, систем и наноструктур, а также для проектирования технологических процессов производства микро- и наноматериалов и систем. Студенты, обучающиеся по направлению: «Нанотехнологии и микросистемная техника» и приступающие к освоению дисциплины, для успешного её изучения должны владеть: базовыми методами основ математики, в частности: интегральным и дифференциальным исчислением. базовыми знаниями в области общей физики, механики по всем темам. базовыми знаниями в области общей физики, термодинамики и молекулярной физики (естественнонаучный цикл) по всем темам. базовыми знаниями в области общей физики, электричества и магнетизма, в частности: электрические и магнитные поля, электрические цепи, проводимость. базовыми знаниями в области общей физики, оптики по всем темам. базовыми знаниями в области общей физики, физики атома, ядра, элементарных частиц по всем темам. ·базовыми знаниями в области электротехники, в частности: устройство современных электротехнических приборов. базовыми знаниями в области квантовой теории по всем темам. базовыми знаниями в области информатики и программирования по всем темам. Таблица 1. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами № 1. 2. 3. 4 Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин Моделирование и проектирование микро- и наносистем Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологий Методы анализа и контроля наноструктурированных материалов и систем Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин 1.1 1.3 1.4 + + + + + 1.2 1.5 1.6 + + + + + + + + + + + 1.3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения данной образовательной программы. В результате освоения ОП бакалавриата выпускник должен обладать следующими компетенциями: способностью использовать основные приемы обработки и представления экспериментальных данных (ОПК-5); готовностью рассчитывать и проектировать основные параметры наноструктурных материалов различного функционального назначения (ПК-6) 1.4 Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю): В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: основные методы измерения микро- и наноструктур материалов, основанные на принципах взаимодействии излучения, ионов и частиц с веществом. современные физические законы процессов измерения микро- и наноструктур материалов. современные методики измерения физических параметров микро- и наноструктур материалов, в частности: спектроскопию обратного рассеянья, масс-спектроскопию рассеянья вторичных ионов, методы ионного каналирования, спектроскопию энергии рассеиваемых электронов, дифракцию и рассеянье рентгеновских лучей, дифракцию электронов, спектроскопию поглощения рентгеновского излучения, спектроскопию фотоэлектронов, спектроскопию тормозного излучения, Ожеспектроскопию, ядерные техники: анализа активации и быстрого анализа излучения, сканирующую зондовую микроскопию (туннельную, атомно-силовую, магнито-силовую), спектроскопию в оптическом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, радиоспектроскопию, мессбауэровскую спектроскопию, микроскопические методы (видимый свет, электроны), полевая эмиссионная и ионная микроскопия, различные разновидности термического анализа, различные методы прометрии (по экспериментальным методикам и по прямым данным о структуре), вольтамперометрию, микро- и наноразмерные измерения магнитных свойств, десорбционную спектроскопию. основные методики и стандарты в области измерений наноструктур материалов, наноструктур и систем. стандарты метрологии и сертификации продукции нанотехнологий и наноиндустрии. Уметь: проводить современными методами измерения параметров микро- и наноструктур материалов. применять знание физических законов, принципов функционирования современных приборов и вычислительной техники для организации процессов измерений микро- и наноструктур материалов. применять стандартизованные методики измерений микро- и наноструктур материалов. Владеть: навыками применения измерительных приборов для измерений микро- и наноструктур материалов. знаниями физических законов и явлений, на которых базируются современные методики анализа микро- и наноструктур материалов. методами обработки полученных данных измерений на современной вычислительной технике. стандартизированными методиками измерений микро- и наноструктур материалов. Электронная микроскопия рассматривается кратко, т.к. это тема отдельного спецкурса. 2. Структура и трудоемкость дисциплины. Семестр 7 . Форма промежуточной аттестации зачет . Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единиц, 108 академических часов, из них 55,7 часов, выделенных на контактную работу с преподавателем (из них 1,7 час –иные виды работы), 52,3 часа, выделенных на самостоятельную работу. 3. Тематический план Таблица 2. 2 Модуль 1 1.1 Введение. Общий обзор методов измерений в нанотехнологиях Атомные столкновения и спектроскопия обратного рассеянья Профили глубины из массспектроскопии рассеянья вторичных ионов Ионное каналирование Электронная спектроскопия Дифракция рентгеновских лучей. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ Всего Модуль 2 Дифракция электронов Поглощение фотонов в твердых телах. Тонкая структура спектров поглощения рентгеновского излучения Спектроскопия рентгеновских фотоэлектронов Излучательные переходы и электронный микрозонд Переходы без излучения и электронная Ожеспектроскопия Ядерные техники: анализы активации и быстрые анализы излучения Всего Модуль 3 Атомная сканирующая туннельная микроскопия 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 Итого часов по теме Из них в интерак тивной форме, в часах Итого количес тво баллов 8 9 10 1.5 0.5 0–1 Семинарские (практические) занятия* Лабораторные занятия Самостоятельная работа* 1 Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. Лекции Тема недели семестра № 3 4 5 6 7 1 0.5 1 1 0.5 1 2 3.5 1 0–4 2 1 1 3 5 0.5 0–5 3 4 1 1 2 2 3 3 6 6 1 1 0–5 0–5 5 1 2 3 6 0.5 0–5 5 9 14 28 4,5 0 – 25 1,5 0.5 0–1 2 3,5 0.5 0–4 1 3 5 0.5 0–5 1 2 3 6 0.5 0–5 8 1 2 3 6 1 0–5 9 1 2 3 6 1.5 0–5 5 9 14 28 4,5 0 – 25 0.5 1 2 3,5 1 0–1 5 0.5 1 5 0.5 1 6 1 7 9 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Атомно-силовая и магнитносиловая микроскопия Спектроскопия в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах Методы радиоспектроскопии Мессбауэровская спектроскопия Микроскопия. Полевая эмиссионная и ионная микроскопия. Электронная микроскопия Всего Модуль 4 Термический анализ. Порометрия. Определение вольтамперных характеристик. Измерение магнитных свойств. Десорбционная спектроскопия. Стандартизация и метрология в нанотехнологиях. Всего Итого (часов, баллов): Из них в интеракт. форме 9 0.5 1 2 3,5 1 0–4 10 0.5 1 2 3,5 1 0–5 11 0.5 2 2 4.5 0.5 0–5 12 1 2 2 5 0.5 0–5 13 1 2 2 5 0.5 0–5 4 9 12 25 4,5 0 – 25 14 14 0.5 0.5 1 1 2 1,5 3,5 0.5 1 0–1 0–4 15 0.5 1 3 5 1 0–5 16 17 0.5 1 2 2 3 3 6 6 1 0.5 0–5 0–5 18 1 2 3 5 0.5 0–5 4 18 6 9 36 6 14 54 6 27 108 18 4,5 18 18 0 – 25 0-100 * Самостоятельная работа (включая иные виды контактной работы) 4. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля электронные практикумы другие формы программы компьютерного тестирования комплексные ситуационные задания - 0-3 0-3 0-3 0-3 0-3 0-15 - 0-3 0-3 0-3 0-3 0-3 0-15 - - - - - 0–1 0–4 0–5 0–5 0–5 0–5 0 – 25 - 0-1 0-1 0-2 0-2 0-2 0-2 - 0-3 0-3 0-3 0-3 0-3 - 0-3 0-3 0-3 0-3 0-3 - - - - - 0–1 0–4 0–5 0–5 0–5 0–5 эссе 0-1 0-1 0-2 0-2 0-2 0-2 0-10 реферат - тест контрольная работа ответ на семинаре Технические формы контроля Письменные работы лабораторная работа Модуль 1 1.1 1.2 Всего Модуль 2 2.1 2.2 2.3 - собеседование коллоквиумы Устный опрос Информаци онные системы и технологии Итого количество баллов Таблица 3. № Темы Всего Модуль 3 3.1 Всего Модуль4 Всего Итого 0-10 0-15 0 – 25 0-15 - 0-1 0-1 0-2 0-2 0-2 0-2 0-10 - 0-3 0-3 0-3 0-3 0-3 0-15 - 0-3 0-3 0-3 0-3 0-3 0-15 - - - - - 0–1 0–4 0–5 0–5 0–5 0–5 0 – 25 - 0-1 0-1 0-2 0-2 0-2 0-2 0-10 0-40 - 0-3 0-3 0-3 0-3 0-3 0-15 0-60 - 0-3 0-3 0-3 0-3 0-3 0-15 0-60 - - - - - 0–1 0–4 0–5 0–5 0–5 0–5 0 – 25 0 – 100 5. Содержание дисциплины. Модуль №1 1.1 Введение. Общий обзор методов измерений в нанотехнологиях. Обзор методов фиксации, методов измерений наноструктур. Комплексный подход к исследованию современных микро- и наноструктур материалов. Основные методы спектроскопии, используемые для диагностики состава поверхностных слоев. 1.2 Атомные столкновения и спектроскопия обратного рассеянья. Резерфордовская спектроскопия обратного рассеянья. Сечение рассеянья и параметр удара. Рассеянье центральной силой. Двухчастичное сечение рассеянья. Отклонения от Резерфордовского рассеянья при низких и высоких энергиях. Рассеянье ионов с низкой энергией. Спектрометрия передней отдачи. Энергетические потери лёгких ионов и профили глубины из обратного рассеянья. Введение. Общая картина энергетических потерь и единицы измерения энергетических потерь. Энергетические потери лёгких ионов в твёрдом теле. Форма спектра обратного рассеянья. Разрешение глубины и разброс энергетических потерь. Пределы чувствительности. Краткая сводка реакций рассеянья. 1.3 Профили глубины из масс-спектроскопии рассеянья вторичных ионов. Общие концепции рассеянья ионной бомбардировкой. Ядерные энергетические потери. Особенности масс-спектроскопии вторичных ионов. Вторичная нейтральная массспектроскопия. Предпочтительное рассеянье и профили глубины. Расширение границы раздела и ионное перемешивание. 1.4 Ионное каналирование. Каналирование в одиночных кристаллах. Влияние примесей в кристаллах. Каналирование потоковых распределений. Поверхностное взаимодействие через двухатомную модель. Отслеживание устойчивого образования: эпитаксия Au на Ag (111). Эпитаксиальный рост. Анализ тонких плёнок. 1.5 Электронная спектроскопия. Электронно-электронные взаимодействия. Чувствительность метода по глубине. Электронная спектроскопия: анализы энергии. Глубина улетучивания и детектируемый объём. Неупругие электрон-электрон соударения. Сечение электронной ионизации при столкновении. Плазмоны. Средне свободный путь электрона. Влияние морфологии тонких плёнок на ослабление электронов. Область распространения электронов в твёрдом теле. Спектроскопия электронных потерь энергии. Тормозное излучение. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов высокого разрешения. 1.6 Дифракция рентгеновских лучей. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ. Основы кристаллографии (типы решеток Бравэ, индексы Миллера, Сингонии). Законы Брэгга в реальном пространстве. Уравнение Вульфа-Брегга. Метод Лауэ. Коэффициенты термически расширенных размеров. Текстурные измерения в поликристаллических тонких плёнках. Измерение напряжений в эпитаксиальных слоях. Кристаллическая структура. Разрешённые направления отражений и относительные интенсивности. Рассеянье на аморфных и частично упорядоченных объектах. Малоугловое рентгеновское рассеянье. Диффузность рентгенограмм. Модуль №2 2.1 Дифракция электронов. Взаимное пространство. Уравнение Лауэ. Законы Брегга. Синтез сферы Эвальда. Электронный микроскоп. Модели дифракционных индексов. Особенности применения дифракции на медленных и быстрых электронах. 2.2 Поглощение фотонов в твердых телах. Тонкая структура спектров поглощения рентгеновского излучения. Фотоэлектронная спектроскопия (ультрафиолетовая и рентгеновская, видимого света). Волновые функции. Квантовые числа, электронные конфигурации, система обозначений. Вероятность перехода. Фотоэлектрический эффект – квадратичная аппроксимация. Вероятность фотоэлектрического перехода для атома водорода. Поглощение рентгеновских лучей. Тонкая структура удлинённого спектра поглощения рентгеновского излучения. Тонкая структура поглощения околокраевого спектра. Время зависимая теория возмущений. Ультрафиолетовая электронная спектроскопия. 2.3 Спектроскопия рентгеновских фотоэлектронов. Введение. Экспериментальное рассмотрение. Кинетическая энергия фотоэлектронов. Спектр энергии фотоэлектронов. Энергия связи и эффекты окончательного состояния. Изменения энергии связи – химические изменения. Количественный анализ. Рентгеноспектральный микроанализ. 2.4 Излучательные переходы и электронный микрозонд. Введение. Номенклатура в спектроскопии рентгеновских лучей. Правила выбора диполей. Электронный микрозонд. Темп переходов для спонтанной эмиссии. Темп переходов для Kα эмиссии в Ni. Электронный микрозонд: количественный анализ. Эмиссия рентгеновских лучей, индуцированная частицей. Оценка вероятности перехода для излучательного перехода. Вычисление отношения Kβ/Kα. 2.5 Переходы без излучения и электронная Оже-спектроскопия. Переходы Оже. Сбор Оже электронов и сбор спектров флюоресценции. Ширина атомных уровней и продолжительности жизни. Спектроскопия Оже электронов. Количественный анализ. Влияние химической связи на величину сдвига положения Оже-пика. Оже профили. 2.6 Ядерные техники: анализы активации и быстрые анализы излучения. Введение. Величины заряда и кинетические энергии. Производство радионуклидов. Активационные анализы. Быстрые анализы излучения. Модуль №3 3.1 Атомная сканирующая туннельная микроскопия. Схема, принцип работы туннельного микроскопа. Туннельный эффект. Получение изображения рельефа поверхности в СТМ. Зонды для туннельных микроскопов. Система управления СТМ. 3.2 Атомно-силовая и магнитно-силовая микроскопия. Схема и принцип работы атомной силовой микроскопии (АСМ). Получение АСМ изображений рельефа поверхности. Зондовые датчики АСМ. Технология изготовления зондовых датчиков АСМ. Контактная АСМ. Зависимость силы от расстояния между зондовым датчиком и образцом. Система управления ACM при работе кантилевера в контактном режиме. Колебательные методики АСМ. Вынужденные колебания кантилевера. Бесконтактный режим колебаний кантилевера АСМ. «Полуконтактный» режим колебаний кантилевера АСМ. Схема и принцип работы магнитосиловой микроскопии (МСМ). Квазистатические методики МСМ. Система управления ACM, МСМ (колебательные методики). 3.3 Спектроскопия в оптическом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Дается обзор различных видов спектров и факторов, влияющих на их вид. Исследование поверхности отражательно-адсорбционной инфракрасной спектроскопией, спектроскопия комбинационного рассеянья света. 3.4 Методы радиоспектроскопии. Теория ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Времена релаксации: продольное и поперечное. Простейшая схема и принцип работы ЯМР спектрометра. Электронный парамагнитный резонанс и его особенности. Теория ЭПР и возможности применения для исследований микро- и наноструктур материалов. 3.5 Мессбауэровская спектроскопия. Адсорбционная и эмиссионная МС. Рэлеевское рассеянье мессбауэровского излучения. МС конверсионных электронов. Временная МС резонансного рассеянья вперёд. Неупругое ядерное резонансное рассеянье. 3.6 Микроскопия. Полевая эмиссионная и ионная микроскопия. Электронная микроскопия. Пределы применимости оптической микроскопии, методические особенности. Разновидности современной оптической микроскопии. Растровая электронная микроскопия, сканирующая и отражательная электронная микроскопия. Просвечивающая электронная микроскопия. Микроскопия медленных электронов. Модуль №4 4.1 Термический анализ. Дифференциально-термический анализ (температура). Дифференциально-сканирующая калориметрия (теплота). Термогравиметрический анализ (масса). Термомеханический анализ (линейный размер). Дилатометрия (объём). Динамический механический анализ (механическая жёсткость и амортизация). Диэлектрический термический анализ (диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь). Анализ выделяемых газов (газовые продукты разложения). Термооптический анализ(оптические свойства). Визуальнополитермический анализ (форма). Лазерный импульсный анализ (температурный профиль). Термомагнитный анализ (магнитные свойства). 4.2 Порометрия. Электрохимический метод. Метод продавливания. Оценка по измерениям проницаемости. Метод оценок по прямым микроскопическим, электронномикроскопическим, рентгеноструктурным данным о степени кристалличности и размерам частиц. 4.3 Определение вольтамперных характеристик. Определение электрических свойств наноструктурированных материалов. Оценка удельных характеристик поверхности. 4.4 Измерение магнитных свойств. Чувствительности методов. Сверхпроводящий квантовый интерферометр. Методики проведения измерений. 4.5 Десорбционная спектроскопия. Определение поверхностных покрытий, площади поверхности. Модельная интерпретация спектров. 4.6 Стандартизация и метрология в нанотехнологиях. Государственные основные стандарты в области измерений микро- и нанообъектов, микро- и наноструктур. 6. Планы семинарских занятий. Семинарские занятия не предусмотрены учебным планом 7. Примерная тематика курсовых работ. Курсовые работы не предусмотрены учебным планом. 8. Темы лабораторных работ (Лабораторный практикум). 1. Получение характеристик поверхностного слоя методом обратного рассеянья ионов. 2. Получение характеристик поверхностного методом масс-спектроскопии рассеянья вторичных ионов. Расширение границы раздела и ионное перемешивание. 3. Каналирование ионов. Отслеживание устойчивого образования: эпитаксия Au на Ag (111). Эпитаксиальный рост. Анализ тонких плёнок. 4. Спектроскопия электронных потерь энергии на тонких пленках. Детектирование тормозного излучения. 5. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ. Измерение параметров и состояний кристаллической структуры, текстуры тонких плёнок. Анализ диффузности рентгенограмм. 6. Построение модели дифракционных индексов исследуемого кристаллического образца по электронным дифрактограммам. 7. Изучение фотоэлектрического эффекта оптических, ультрафиолетовых рентгеновских лучей. Оценка параметров ближнего и дальнего порядка кристаллической структуры, энергии связи химических соединений. 8. Изучение излучательных переходов с помощью электронного микрозонда. Kα эмиссия в Ni. Активационные анализы. Быстрые анализы излучения. 9. Изучение электронной Оже-спектроскопии. Получение Оже профилей глубины. 10. Сканирующая зондовая микроскопия. 11. Получение первого изображения методами сканирующей зондовой микроскопии. Обработка и представление результатов эксперимента. 12. Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии. 13. Зондовые датчики и их технологии изготовления для атомной силовой микроскопии. Измерения характеристик поверхности методами атомно-силовой микроскопии. 14. Сканирующая зондовая литография. 15. Исследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в неконтактном режиме. 16. Измерение магнитных свойств микро- и наноструктурированных материалов.. Квазистатические и колебательные методики измерения магнитно-силовая микроскопии. 17. Спектроскопические исследования микро- и наноструктур материалов в оптическом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. 18. Исследования микро- и наноструктуры материалов методами измерений радиоспектроскопии (ядерный магнитный резонанс, парамагнитный резонанс). Изучение ЯМР спектрометра. 19. Исследования микро- и наноструктуры материалов методами измерений мессбауэровской спектроскопии. 20. Исследования микро- и наноструктуры материалов методами полевой эмиссионной, ионной микроскопией и электронной микроскопией. 21. Изучение наноструктурированных материалов методами термического анализа (по выбору). 22. Исследование пористости и удельных характеристик образца различными методиками. Анализ и сравнение с данными о микроструктуре. 23. Изучение существующих стандартов и особенностей метрологии в области нанотехнологий. 24. Определение фазового состава и расшифровка структуры эталонного образца. 9. Учебно-методическое обеспечение и планирование самостоятельной работы студентов. Таблица 4. № Модули и темы Виды СРС обязательные 1.1 1.2 Модуль 1 Введение. Общий обзор методов измерений в нанотехнологиях Атомные столкновения и спектроскопия обратного рассеянья Работа с литературой Составление логической схемы Составление логической схемы дополнительные Неделя Объем Кол-во семестра часов* баллов Составление презентации (по выбору) 1 Составление презентации (по выбору) 1 0–1 2 0–4 1.3 1.4 Профили глубины из масс-спектроскопии рассеянья вторичных ионов Ионное каналирование 1.5 Электронная спектроскопия 1.6 Дифракция рентгеновских лучей. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ Составление логической схемы Составление презентации (по выбору) 2 3 0–5 Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление презентации (по выбору) 3 3 0–5 Составление презентации (по выбору) 4 3 0–5 Составление презентации (по выбору) 5 3 0–5 Всего: 2.1 2.2 2.3 2.4 14 Модуль 2 Дифракция электронов Работа с литературой Составление логической схемы Поглощение фотонов в твердых телах. Тонкая структура спектров поглощения рентгеновского излучения Спектроскопия рентгеновских фотоэлектронов Излучательные переходы и электронный микрозонд Составление логической схемы 2.5 Переходы без излучения и электронная Ожеспектроскопия 2.6 Ядерные техники: анализы активации и быстрые анализы излучения Всего Составление логической схемы Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление презентации (по выбору) Составление презентации (по выбору) 5 0–1 5 2 0–4 Составление презентации (по выбору) Составление презентации (по выбору) 6 3 0–5 7 3 0–5 Составление презентации (по выбору) 8 3 0–5 Составление презентации (по выбору) 9 3 0–5 14 3.1 Модуль 3 Атомная сканирующая туннельная микроскопия 3.2 Атомно-силовая и магнитно-силовая микроскопия 3.3 Спектроскопия в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах 3.4 Методы радиоспектроскопии 3.5 Мессбауэровская спектроскопия 3.6 Микроскопия. Полевая эмиссионная и ионная микроскопия. Электронная микроскопия 4.1 Всего Модуль 4 Термический анализ. 4.2 Порометрия. 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 Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление презентации (по выбору) 9 2 0–1 Составление презентации (по выбору) 9 2 0–4 10 2 0–5 11 2 0–5 12 2 0–5 13 2 0–5 Интервьюирование педагогов, учёных физиков, техников и составление словаря новых терминов (работа в малых группах) Интервьюирование педагогов, учёных физиков, техников и составление словаря новых терминов (работа в малых группах) Интервьюирование педагогов, учёных физиков, техников и составление словаря новых терминов (работа в малых группах) Составление презентации (по выбору) 12 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 Интервьюирование педагогов, учёных физиков, техников и составление словаря новых терминов (работа в малых группах) Интервьюирование педагогов, учёных физиков, техников и составление словаря новых терминов (работа в малых группах) 0–1 14 14 2 0–4 4.3 Определение вольтамперных характеристик. 4.4 Измерение магнитных свойств. 4.5 Десорбционная спектроскопия. 4.6 Стандартизация и метрология в нанотехнологиях. Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Составление логической схемы Конспект, Реферат, Составление логической схемы, Выполнение проверочного теста Интервьюирование педагогов, учёных физиков, техников и составление словаря новых терминов (работа в малых группах) Составление презентации (по выбору) 15 3 0–5 16 3 0–5 Составление презентации (по выбору) 17 3 0–5 Составление презентации (по выбору) 18 3 0–5 Всего 14 0 – 25 Итого 54 0 – 100 * Самостоятельная работа (включая иные виды контактной работы) 10. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля). 10.1 Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе освоения образовательной программы (выдержка из матрицы компетенций): Таблица 5. ОПК-5 Б1.Б.13 Б1.В.ОД.2.1 Б1.В.ОД.2.2 Б1.В.ОД.2.3 Б1.В.ОД.2.4 Б1.В.ОД.2.5 Б1.В.ДВ.3.2 Б1.В.ДВ.4.2 Б1.В.ДВ.7.1 ИГА ПК-6 Б1.Б.18 Б1.Б.22 Б1.В.ДВ.5.1 Способность использовать основные приемы обработки и представления экспериментальных данных Химия – 2 семестр Практикум по механике – 1 семестр Практикум по молекулярной физике – 2 семестр Практикум по электричеству и магнетизму – 3 семестр Практикум по оптике – 4 семестр Практикум по атомной и ядерной физике – 5 семестр Основы аналитической химии – 3 семестр Экспериментальные методы исследований – 4 семестр Методы измерений микро- и наноструктур материалов – 7 семестр Итоговая государственная аттестация Готовность рассчитывать и проектировать основные параметры наноструктурных материалов различного функционального назначения Материаловедение нано-структурированных материалов – 5, 6 семестры Методы анализа и контроля нано-структурированных материалов и систем – 8 семестр Термодинамические свойства наноструктур - 6 семестр Б1.В.ДВ.5.2 Б1.В.ДВ.6.1 Б1.В.ДВ.7.1 Б1.В.ДВ.8.1 Б1.В.ДВ.10.1 Б1.В.ДВ.10.2 Магнитные свойства наноструктур – 6 семестр Физика твердого тела – 6 семестр Методы измерений микро- и наноструктур материалов – 7 семестр Прикладная термодинамика - 7 Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ – 8 семестр Фазовые переходы в гетерогенных средах – 8 семестр 10.2 Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания: Таблица 6. Знает: основные способы измерения современных наноструктур и материалов. Знает: Особенности применения способов измерения к различным наноматериалам и системам. Знает: современные методы измерений микро- и наноструктур материалов, основанных на физических явлениях взаимодействия излучения, ионов и элементарных частиц с веществом в конденсированном состоянии. Лекции, лабораторные работы Оценочные средства (тесты, творческие работы, проекты и др.) Выполнение проверочного теста, реферат Умеет: проводить измерения свойств наноматериалов и систем по существующим методикам Умеет: разрабатывать методики для измерения свойств наноматериалов и систем. Умеет: Разрабатывать и применять методики измерения свойств наноматериалов и систем исходя из их особенностей и специфики научного оборудования. Лекции, лабораторные работы Выполнение проверочного теста, реферат Владеет: существующими методиками проведения измерений свойств наноматериалов и систем Владеет: методиками построения эксперимента по измерению свойств наноматериалов и систем. Владеет: методиками разработки методов посторения эксперимента наноматериалв и систем в зависимости от их предполагаемых свойств и особенностей. Лекции, лабораторные работы Выполнение проверочного теста, реферат Код компетенци и ОПК-5 Карта критериев оценивания компетенций Критерии в соответствии с уровнем освоения ОП пороговый (удовл.) 61-75 баллов базовый (хор.) 76-90 баллов повышенный (отл.) 91-100 баллов Виды занятий (лекции, семинарские, практические, лабораторные) ПК-6 Знает: основные эксплуатационные харатеристики нанометериалов Знает: основные физические величины, характеризующие свойства наноматериалов Знает: характеристики наноматериалов и порядок значений этих характеристик Лекции, лабораторные работы Выполнение проверочного теста, реферат Умеет: моделировать поведение наноматериалов исходя из их характеристик Умеет: подбирать физические законы, описывающие поведение наноматериалов в соответствии с их характеристиками Умеет: строить модели с начальными и граничными условиями исходя и реальных характеристик исследуемых наноматериалов Лекции, лабораторные работы Выполнение проверочного теста, реферат Владеет: методиками расчета и моделирования параметров наноструктурных материалов и их поведения. Владеет: методиками составления замкнутых систем уравнений Владеет: методиками составления физических моделей Лекции, лабораторные работы Выполнение проверочного теста, реферат 8.3 Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для оценки знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующей этапы формирования компетенций в процессе освоения образовательной программы. Предлагаемые темы рефератов (самостоятельная работа): 1. Типы энергоанализаторов в электронной спектроскопиию 2. Масс-спектрограф Астона. 3. Масс-спектрограф Бейнбриджа. 4. Времяпролетный спектрометр. 5. Обзор применений спектроскопических методов исследования микро- и наноструктур материалов. 6. Обзор применений дифракционных методов исследования микро- наноструктур материалов. 7. Особенности оптической, ультрафиолетовой и рентгеновской электронных спектроскопий. 8. Типы сверхтонкого взаимодействия. 9. Мессбауэровские спектры. 10. Рентгеновские спектры. 11. Особенности измерений методом электронного парамагнитного резонанса. Объём печатной работы не должен превышать 10 страниц с соответствующим оформлением титульного листа, оглавления, текста, рисунков, фотографий, диаграмм, заключения, выводов и списка литературы. Проверочные тесты: Тесты (для проверки освоения дисциплины и самостоятельной работы) составляются по содержанию методического материала дисциплины. Примерные вопросы к зачету 1. Основные методы спектроскопии, используемые для диагностики состава поверхностных слоев. 2. Резерфордовская спектроскопия обратного рассеянья. 3. Сечение рассеянья и параметр удара. Рассеянье центральной силой. 4. Двухчастичное сечение рассеянья. 5. Отклонения от Резерфордовского рассеянья при низких и высоких энергиях. Рассеянье ионов с низкой энергией. 6. Спектрометрия передней отдачи. 7. Энергетические потери лёгких ионов и профили глубины из обратного рассеянья. 8. Общая картина энергетических потерь и единицы измерения энергетических потерь. 9. Энергетические потери лёгких ионов в твёрдом теле. 10. Форма спектра обратного рассеянья. Разрешение глубины и разброс энергетических потерь. 11. Ядерные энергетические потери. 12. Особенности масс-спектроскопии вторичных ионов. 13. Вторичная нейтральная масс- спектроскопия. Предпочтительное рассеянье и профили глубины. 14. Расширение границы раздела и ионное перемешивание. 15. Каналирование в одиночных кристаллах. Влияние примесей в кристаллах. 16. Каналирование потоковых распределений. 17. Поверхностное взаимодействие через двухатомную модель. Отслеживание устойчивого образования: эпитаксия Au на Ag (111). 18. Эпитаксиальный рост. Анализ тонких плёнок. 19. Электронно-электронные взаимодействия. Электронная спектроскопия: анализы энергии. 20. Глубина улетучивания и детектируемый объём. 21. Неупругие электрон-электрон соударения. Сечение электронной ионизации при столкновении. 22. Плазмоны. 23. Влияние морфологии тонких плёнок на ослабление электронов. 24. Область распространения электронов в твёрдом теле. Спектроскопия электронных потерь энергии. 25. Тормозное излучение. 26. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов высокого разрешения. 27. Законы Брэгга в реальном пространстве. Уравнение Вульфа-Брегга. Метод Лауэ. 28. Коэффициенты термически расширенных размеров. Текстурные измерения в поликристаллических тонких плёнках. 29. Измерение напряжений в эпитаксиальных слоях. 30. Кристаллическая структура. Разрешённые направления отражений и относительные интенсивности. 31. Рассеянье на аморфных и частично упорядоченных объектах. 32. Малоугловое рентгеновское рассеянье. Диффузность рентгенограмм. 33. Фотоэлектронная спектроскопия (ультрафиолетовая и рентгеновская, видимого света). 34. Волновые функции. Квантовые числа, электронные конфигурации, система обозначений. Вероятность перехода. 35. Фотоэлектрический эффект – квадратичная аппроксимация. Вероятность фотоэлектрического перехода для атома водорода. 36. Поглощение рентгеновских лучей. Тонкая структура удлинённого спектра поглощения рентгеновского излучения. Тонкая структура поглощения околокраевого спектра. 37. Время зависимая теория возмущений. 38. Ультрафиолетовая электронная спектроскопия. 39. Кинетическая энергия фотоэлектронов. Спектр энергии фотоэлектронов. 40. Энергия связи и эффекты окончательного состояния. Изменения энергии связи – химические изменения. 41. Рентгеноспектральный микроанализ. 42. Электронный микрозонд. Темп переходов для спонтанной эмиссии. 43. Темп переходов для Kα эмиссии в Ni. 44. Эмиссия рентгеновских лучей, индуцированная частицей. 45. Оценка вероятности перехода для излучательного перехода. Вычисление отношения Kβ/Kα. 46. Переходы Оже. Сбор Оже электронов и сбор спектров флюоресценции. Ширина атомных уровней и продолжительности жизни. 47. Спектроскопия Оже электронов. Количественный анализ. Влияние химической связи на величину сдвига положения Оже-пика. Оже профили. 48. Атомная сканирующая туннельная микроскопия. 49. Атомно-силовая и магнитно-силовая микроскопия. 50. Спектроскопия в оптическом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. 51. Мессбауэровская спектроскопия. 52. Полевая эмиссионная и ионная микроскопия. 53. Порометрия. 54. Измерение магнитных свойств. 8.4 Методические материалы, определяющие процедуры оценивания знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности характеризующих этапы формирования компетенций. Текущий и промежуточный контроль освоения и усвоения материала дисциплины осуществляется в рамках рейтинговой 100-балльной систем оценок. Во время учебного семестра студент выполняет проверочные тесты и представляет отчеты по лабораторным работам, реферат и\или доклад-презентацию по одной из тем содержания дисциплины. Студенты, набравшие 35 баллов, являются допущенными к сдаче зачета. Зачет проводится в виде собеседования. Студенты, набравшие от 35 до 60 баллов, получают «не зачтено». Студенты, выполнившие учебный план и набравшие от 61 до 100 баллов, получают оценку «зачтено». 9. Образовательные технологии. Интервьюирование и беседа с профессиональными физиками, химиками и техниками (специалистами в микро- инанотехнлогий, приборостоении). Разбор конкретных ситуаций использования современных достижений в области измерений свойств и структуры микро- и наноструктур материалов в научных, исследовательских, социальноэкономических задачах и для решения проблем наноструктурированного материаловедения и нанотехнологий, микросистемой техники. 10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля). 10.1 Основная литература: 1. Лич Р. Инженерные основы измерений нанометровой точности: [учебное пособие]/ Р. Лич ; пер. с англ. А. В. Заблоцкий. - Долгопрудный: Интеллект, 2012. - 400 с.; 21 см. - Библиогр. в конце гл.. - ISBN 978-5-91559-119-5. 2. Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела : учебное пособие / В.И. Троян, М.А. Пушкин, В.Д. Борман, В.Н. Тронин. - М. : МИФИ, 2008. - 258 с. - ISBN 978-5-7262-1020-3 ; То же [Электронный ресурс]. URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=237998 (дата обращения 20.04.2015). 3. Филимонова, Н.И. Методы исследования микроэлектронных и наноэлектронных материалов и структур: сканирующая зондовая микроскопия : учебное пособие / Н.И. Филимонова, Б.Б. Кольцов. - Новосибирск : НГТУ, 2013. - Ч. I. - 134 с. - ISBN 978-5-7782-2158-1 ; То же [Электронный ресурс]. URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=228943 (дата обращения 20.04.2015). 10.2 Дополнительная литература: 1. Верещагина, Я.А. Инновационные технологии: введение в нанотехнологии : учебное пособие / Я.А. Верещагина ; Федеральное агенство по образованию, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный технологический университет". - Казань : КГТУ, 2009. - 115 с. : ил., табл., схем. - Библ. в кн. - ISBN 978-5-7882-0778-0 ; То же [Электронный ресурс]. URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=270541 (дата обращения 20.04.2015). 2. Булярский, С. В. Инновационные методы диагностики наноэлектронных элементов: учеб.-метод. комплекс/ С. В. Булярский. - Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2006. - 94 с. 3. Брандон, Д. Микроструктура материалов; Методы исследования и контроля: учеб. пособие для студ., обуч. по напр. подгот. "Прикл. мат. и физика" : пер. с англ./ Д. Брандон, У. Каплан. - Москва: Техносфера, 2006. - 384 с.; 24 см. - (Мир материалов и технологий). - ISBN 5-94836-018-0. 4. Андриевский, Р. А.. Наноструктурные материалы: учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по напр. подготовки дипломир. спец. 651800 "Физическое материаловедение"/ Р. А. Андриевский, А. В. Рагуля. - Москва: Академия, 2005. 192 с.; - (Высшее профессиональное образование. Естественные науки). - ISBN 57695-2034-5. 5. Пул, Ч.. Нанотехнологии: учеб. пособие для студ., обуч. по напр. подготовки "Нанотехнологии" : пер. с англ./ Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - 2-е изд., доп. - Москва: Техносфера, 2005. - 336 с.; - (Мир материалов и технологий). - ISBN 5-94836-021-0. 6. Методы получения и исследования наноматериалов и наноструктур: лабораторный практикум по нанотехнологиям : учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 222900 "Нанотехнологии и микросистемная техника"/ ред. А. С. Сигов. - 2-е изд., перераб. и доп.. - Москва: Бином. Лаборатория знаний, 2013. - 184 с.: - (Учебник для высшей школы). - ISBN 978-5-9963-0617-6. 7. Зевайль, А.. Трёхмерная электронная микроскопия в реальном времени: [учебное пособие]/ А. Зевайль, Дж. Томас; пер. с англ. А. В. Сухов. - Долгопрудный: Интеллект, 2013. - 328 с.: - Библиогр. в конце гл.. - ISBN 978-5-91559-102-7. 8. Справочник по микроскопии для нанотехнологии = Handbook of Microscopy for Nanotechnology/ Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова; ред. Н. Яо, Ч. Л. Ван ; науч. ред. И. В. Яминский. - Москва: Научный мир, 2011. - 712 с.: - (Фундаментальные основы нанотехнологий: справочники). - Библиогр. в конце гл.. - ISBN 978-591522-232-7. 10.3 Интернет – ресурсы: 1. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / учебное пособие. Российская академия наук, Институт физики микроструктур; 2004 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.pnn.unn.ru/UserFiles/lectures/Mironov_SPM_Book.pdf 2. Научная электронная библиотека www.elibrary.ru. 3. Сайт группы компаний НТ_МДТ http://www.ntmdt.ru/ 4. Образовательные ресурсы «Единое окно» http://window.edu.ru/window/library 5. Книго-поиск. http://www.knigo-poisk.ru 11. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости). Применение мультимедийного оборудования для проведения лекционных занятий. Видеозаписи и презентации лекционного материала. Работа с Интернетом. Работа с информационным порталом ИБЦ ТюмГУ. 12. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля). Учебные аудитории для проведения лекционных и практических занятий, оснащенные интерактивной доской и/или проектором. Современное оборудование в области измерений физических свойств микро- и наноструктур материалов. 13. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины (модуля). При подготовке к занятиям в течение семестра и зачету студент должен использовать литературу, рекомендованную преподавателем. Для понимания лекционного материала и качественного его усвоения студентам необходимо вести конспекты лекций. В течение лекции студент делает пометки по тем вопросам, которые требуют уточнений и дополнений. Вопросы, которые преподаватель не отразил в лекции, студент должен изучать самостоятельно. К выполнению лабораторных работ необходима подготовка рабочих лабораторных журналов с последующим оформление отчетов по проделанным работам. Если в процессе самостоятельной работы над изучением теоретического материала у студента возникают вопросы, разрешить которые самостоятельно не удается, необходимо обратиться к преподавателю для получения у него разъяснений или указаний. Данное УМК разработано на базе ранее утвержденного УМК Магнитные свойства наноструктур по стандарту ФГОС ВПО, автор Бриков Е.С. Дополнения и изменения к рабочей программе на 201 / 201 учебный год В рабочую программу вносятся следующие изменения: _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ Рабочая программа пересмотрена и одобрена ____________________ « »_______________201 г. на заседании кафедры Заведующий кафедрой ___________________/___________________/ Роспись Ф.И.О.