МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Основы физики наноструктур
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра общей и экспериментальной физики
Направление подготовки03.04.02. Физика
ПрофильФизика наносистем
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость4 ЗЕТ
Учебный план03_04_02_ФН-2-2020
Часов по учебному плану 144
в том числе:
аудиторные занятия 52
самостоятельная работа 65
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 2

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 1 (2) Итого
Недель 13
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 24 24 24 24
Лабораторные 28 28 28 28
Сам. работа 65 65 65 65
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 144 144 144 144

Программу составил(и):
д-р физ.-мат. наук, доцент, С.В. Макаров

Рецензент(ы):
канд. физ.-мат. наук, доцент, Д.Д. Рудер

Рабочая программа дисциплины
Основы физики наноструктур

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.04.02 ФИЗИКА (уровень магистратуры) (приказ Минобрнауки России от 28.08.2015г. №913)

составлена на основании учебного плана:
03.04.02 Физика
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра общей и экспериментальной физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 11
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
д-р физ.-мат. наук, профессор Плотников Владимир Александрович

Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра общей и экспериментальной физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 11
Заведующий кафедрой д-р физ.-мат. наук, профессор Плотников Владимир Александрович

1. Цели освоения дисциплины

1.1.Целью курса «Основы физики наноструктур» является формирование теоретических и практических знаний о закономерностях получения низкоразмерных структур, в том числе углеродных, о способах получения и их свойствах, о методах исследования, а также их применение.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-6: способностью использовать знания современных проблем и новейших достижений физики в научно-исследовательской работе
ПК-1: способностью самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области физики и решать их с помощью современной аппаратуры и информационных технологий с использованием новейшего российского и зарубежного опыта
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.основные методы получения углеродных наноматериалов. Основы организации и планирования эксперимента с целью формирования информационной базы данных о явлениях и процессах
3.2.Уметь:
3.2.1.Использовать новейшие достижения в физики в научно-исследовательской деятельности. Использовать информационный банк данных о физических процессах и явлениях с целью создания новых материалов с заданными свойствами
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.владеть основными навыками постановки задачи в научно-исследовательской деятельности. Профессиональными навыками в организации и планировании физических исследований

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Ведение в физику наноструктук
1.1. Нанонаука и нанотехнология. Физические основы нанотехнологии. Размерные эффекты: поверхностные эффекты, эффекты квантовых ограничений Лекции 2 4 ОПК-6 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
1.2. Общее понятие наноструктур, их классификация, самые общие свойства, способы изготовления Сам. работа 2 10 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
Раздел 2. Объёмные наноструктурные материалы
2.1. Методы получения. Большие пластические деформации и структурообразование. Процессы и методы интенсивной пластической деформации. Формирование наноструктур при интенсивной пластической деформации. Исследование атомной структуры. Деформационное поведение и механические свойства Лекции 2 4 ОПК-6 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
2.2. Исследование пластических свойств металлов в условиях термомеханического нагружения Лабораторные 2 6 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
2.3. Наноструктурные материалы для перспективных применений Сам. работа 2 10 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
Раздел 3. Планарные дефекты кристаллического строения.
3.1. Виды планарных дефектов и их кристаллическое строение. Лекции 2 2 ОПК-6 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
3.2. Внешняя поверхность как дефект кристаллического строения Сам. работа 2 8 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
Раздел 4. Распады пересыщенных твёрдых растворов
4.1. Механизмы распада: 1 - зарождения и роста Лекции 2 4 ОПК-6 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
4.2. Элементарные процессы, протекающие в закаленном алюминиево-магниевом сплаве при ступенчатом отжиге Лабораторные 2 6 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
4.3. Спинодальный распад Сам. работа 2 10 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
Раздел 5. Аморфные наноструктуры
5.1. Строение и физико-химические свойства аморфных сплавов. Металлические стёкла. Типы систем склонных к аморфизации. Лекции 2 4 ОПК-6 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
5.2. Теоретические основы и классификация методов получения металлических аморфных сплавов. Структура аморфных и жидких металлов. Методы исследования структуры. Анализ различных моделей аморфного состояния. Дефекты аморфной структуры. Влияние дефектов на физико-химические свойства аморфных сплавов. Сам. работа 2 9 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
Раздел 6. Тонкие наноразмерные плёнки
6.1. Современные методы получения тонкоплёночных структур: Термовакуумное (резистивное) испарение; Электронно-лучевое испарение; Лазерное испарение (абляция); Вакуумно-дуговое испарение; Магнетронное распыление. Методы исследования тонких плёнок Лекции 2 2 ОПК-6 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
6.2. Получение тонких металлических пленок резистивным методом Лабораторные 2 6 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
6.3. Получение тонких металлических пленок магнетронным методом Лабораторные 2 4 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
6.4. Механизмы зарождения и роста тонкоплёночного конденсата Сам. работа 2 6 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
Раздел 7. Углеродные наноструктуры
7.1. Углеродные наноструктуры: алмаз, графит, карбин, фуллерены, нанотрубки. Методы получения углеродных наноструктур. Лекции 2 2 ОПК-6 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
7.2. Получение углеродного тонкопленочного конденсата методом лазерного испарения графитовой мишени Лабораторные 2 6 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
7.3. Методы получения углеродных наноструктур Сам. работа 2 6 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
Раздел 8. Детонационный наноалмаз
8.1. Получение, структура и свойства детонационного алмаза. Лекции 2 2 ОПК-6 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3
8.2. Примесная подсистема детонационного состава Сам. работа 2 6 ОПК-6, ПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л1.2, Л2.3

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
1. Принципы классификации нанообьектов и наноструктур. Основные классы наноматериалов и области их использования.
2. Размерные эффекы (РЭ) в наноструктурах. Понятие о скейлинге, автомодельности и границах применимости теории/модели.
3. Основные разновидности РЭ в наномасштабных структурах.
4. Основные группы физических причин специфического поведения нанообьектов.
5. «Классические» РЭ в наноструктурах. Их типичные проявления.
6. РЭ в механике.
7. Прочность и пластичность в наношкале.
8. Трение в наношкале.
9. Поведение нанодисперсий в гравитационном поле.
10. Капилярные явления в наношкале.
11. РЭ в явлениях переноса. Баллистический режим.
12. РЭ в гидродинамике.
13. РЭ в диффузии.
14. РЭ в электропереносе.
15. РЭ в теплопереносе.
16. Феноменология магнетизма в наношкале.
17. Размерное квантование, проявления и примеры использования.
18. Туннелирование, его проявления и использование.
19. Самоорганизация и самосборка. Термодинамика и кинетика. Конкретные примеры и условия осуществления.
20. РЭ в химии наноструктур.
21. Твердые тела. Роль симметрии в строении и свойствах твердых тел. Кристаллические решетки Бравэ.
22. Моно-, поли- и нанокристаллические твердые тела, аморфные, нанокомпозитные и нанопористые материалы. Основные особенности их атомного строения.
23. Нульмерные, одномерные и двумерные дефекты структур кристаллического строения и их роль в формировании структурочувствительных свойств.
24. Основы термодинамики и кинетики фазовых переходов в наноструктурах.
25. Гомогенное и гетерогенное зарождение новой фазы. Зародыши и их рост в паровой, жидкой и твердой фазе.
26. Роль свободных и внутренних поверхностей в физико-химии наноструктур.
27. Основные группы причин специфики свойств поверхности.
28. Атомарные приповерхностные структуры. Релаксация и реконструкция, микротопология, адатомы и адсорбированные молекулы. Их роль в формировании свойств наночастиц и наноматериалов.
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
Тема 1. Ведение в физику наноструктук.
Нанонаука и нанотехнология. Физические основы нанотехнологии. Размерные эффекты: поверхностные эффекты, эффекты квантовых ограничений. Общее понятие наноструктур, их классификация, самые общие свойства, способы изготовления.
Тема 2. Объёмные наноструктурные материалы.
Методы получения. Большие пластические деформации и структурообразование. Процессы и методы интенсивной пластической деформации. Формирование наноструктур при интенсивной пластической деформации. Исследование атомной структуры. Деформационное поведение и механические свойства. Наноструктурные материалы для перспективных применений.
Тема 3. Планарные дефекты кристаллического строения.
Виды планарных дефектов и их кристаллическое строение.
Тема 4. Распады пересыщенных твёрдых растворов
Механизмы распада: 1 - зарождения и роста, 2- спинодальный распад.
Тема 5. Аморфные наноструктуры.
Строение и физико-химические свойства аморфных сплавов. Металлические стёкла. Типы систем склонных к аморфизации. Теоретические основы и классификация методов получения металлических аморфных сплавов. Структура аморфных и жидких металлов. Методы исследования структуры. Анализ различных моделей аморфного состояния. Дефекты аморфной структуры. Влияние дефектов на физико-химические свойства аморфных сплавов.
Тема 6. Тонкие наноразмерные плёнки
Современные методы получения тонкоплёночных структур: Термовакуумное (резистивное) испарение; Электронно-лучевое испарение; Лазерное испарение (абляция); Вакуумно-дуговое испарение; Магнетронное распыление.Методы исследования тонких плёнок. Механизмы зарождения и роста тонкоплёночного конденсата.
Тема 7. Углеродные наноструктуры.
Углеродные наноструктуры: алмаз, графит, карбин, фуллерены, нанотрубки. Методы получения углеродных наноструктур.
Тема 8. Детонационный наноалмаз
Получение, структура и свойства детонационного алмаза.
5.3. Фонд оценочных средств
Вопросы к экзамену и зачету

1. Нанонаука и нанотехнология.
2. Физические основы нанотехнологии.
3. Размерные эффекты: поверхностные эффекты, эффекты квантовых ограничений.
4. Общее понятие наноструктур, их классификация, самые общие свойства, способы изготовления.
5. Большие пластические деформации и структурообразование.
6. Процессы и методы интенсивной пластической деформации.
7. Формирование наноструктур при интенсивной пластической деформации.
8. Исследование атомной структуры.
9. Деформационное поведение и механические свойства.
10. Наноструктурные материалы для перспективных применений.
11. Виды планарных дефектов и их кристаллическое строение.
12. Механизмы распада: 1 - зарождения и роста, 2- спинодальный распад.
13. Строение и физико-химические свойства аморфных сплавов.
14. Металлические стёкла.
15. Типы систем склонных к аморфизации.
16. Теоретические основы и классификация методов получения металлических аморфных сплавов.
17. Структура аморфных и жидких металлов.
18. Методы исследования структуры.
19. Анализ различных моделей аморфного состояния.
20. Дефекты аморфной структуры.
21. Влияние дефектов на физико-химические свойства аморфных сплавов.
22. Современные методы получения тонкоплёночных структур: Термовакуумное (резистивное) испарение; Электронно-лучевое испарение; Лазерное испарение (абляция); Вакуумно-дуговое испарение; Магнетронное распыление.
23. Методы исследования тонких плёнок.
24. Механизмы зарождения и роста тонкоплёночного конденсата.
25. Углеродные наноструктуры: алмаз, графит, карбин, фуллерены, нанотрубки.
26. Методы получения углеродных наноструктур.
27. Получение, структура и свойства детонационного алмаза.
Приложения

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Кузнецов Н.Т., Новоторцев В.М., Жабрев В.А., Марголин В.И. Основы нанотехнологии [Электронный ресурс]: учебник М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014 http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=362876
Л1.2 Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии [Электронный ресурс]: учебное пособие М.: Физматлит, 2009 https://e.lanbook.com/book/2173
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Епифанов И.Г. Физика твердого тела [Электронный ресурс] : учебное пособие СПб.:Лань, 2011 https://e.lanbook.com/reader/book/2023/#2
Л2.2 Абрамчук Н.С., Авдошенко Н.С., Баранов А.Н. Нанотехнологии [Электронный ресурс]: учебное пособие М.: Физматлит, 2009 https://e.lanbook.com/book/2664
Л2.3 Рамбиди Н.Г., Берёзкин А.В. Физические и химические основы нанотехнологий [Электронный ресурс]: учебное пособие М.: Физматлит, 2009 https://e.lanbook.com/book/2291
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Основы физики наноструктур, автор Макаров С.В. https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=4225
6.3. Перечень программного обеспечения
Microsoft Excel (Microsoft)
OriginLab Origin Pro 8.0 (OriginLab)
MatLAB 7 (MathWorks)
MathCAD 14/15 (Parametric Technology Corporation)
Mathematica 4.0 (Wolfram Research, Inc www.wolfram.com.)
Microsoft Windows
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем
Научная электронная библиотека: www.elibrary.ru
Научная библиотека ВолГУ: http://lib.volsu.ru
Американский институт физики (AIP) http://scitation.aip.org/
Информационные системы
SPIE Digital Library: http://spiedigitallibrary.org/

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
002К лаборатория физического материаловедения - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 10 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доски меловые 1шт. лазер ЛТИ502; лазер ЛТН-103; лазерная установка HTS 300; микроскоп металлографический Метам РВ-23; микроскоп НЕОФОТ -32; моноблок RAMEC Gale Custom G1610/ H61M-DG3/4 Гб ОЗУ/500 Гб НЖМД; насадка для микроскопа VEC-535 цветная в/к ПЗС-матрица 1/1,8" 1700ТВ лин 1,0Iuх; ноутбук Acer TM424WXMi Cel-M(380) 1,6GHz/14,1" WXGA/512Mb/60Gb/DVD-RW/LAN/Wlan b; оптико-электронная система (сканирующий зондовый микроскоп) Солвер Некст; проектор: Epson EMP-TW10H (V11H164040); системный блок Celeron 1000/128/FDD/HDD; системный блок P IV - 1800 Celeron/ 256 Mb/60 Gb/AGP 32/CD/Net/SB/SPK; термостат; установка "Дрон-3"; блок БВЦ 97-04; блок БГА-2-97; блок БПВ2-90; блок Д3У2-91; блок питания БНН-43; блок УВЦ-2-95; вакуумный пост универсальный ВУП-5; компьютер Intel Core i3-4160 3600MHz/HDD 1Tb/DDR3 DIMM 16Gb(2x8Db); компьютер Intel Core i3-4160 3600MHz/HDD 1Tb/DDR3 DIMM 16Gb(2x8Db); компьютер Intel Pentinm G3420 3200 MHz/DDR3 DIMM 4Gb/монитор 22"LG 22MP55HQ-P; компьютер Intel Pentinm G3420 3200 MHz/DDR3 DIMM 4Gb/монитор 22"LG 22MP55HQ-P; компьютер Intel Pentium G3420 3200MHz 3Mb/DDR3 DIMM 4Gb/монитор 22"LG 22MP55HQ-P; компьютер Intel Pentium G3420 3200MHz 3Mb/DDR3 DIMM 4Gb/монитор 22"LG 22MP55HQ-P; компьютер Intel Pentium G3420 3200MHz3Mb/DDR3 DIMM 4Gb/монитор 22"LG 22MP55HQ-P; микрокомпьютер Tandy 1000HX; монитор 15" RoverScan 115GS 0.28 TCO95; монитор 15" Samsung 550 S.28; монитор 17" Philips TFT; ноутбук ASUS BU401LG 14"HD,Ci7-4500U, 8192Mb,1Tb,GT730M-2Gb,WiFi, BT, Cam, W8Pro; ноутбук Asus K50IN (2,2GHz/4Gb/320Gb/DVD-RW/Bluetooth/факс-модем/веб камера; преобразователь акустической эмиссии; прибор АМА-0,2ф1; принтер HP LJ 1150; самописец 62201; система магнетронного напыления МАГ-2000; системный блок Celeron 733 INTEL; системный блок P - IV 3000MHz/Плата ЛА-2USB/АЦП ЛА-н150-14PCI; сканер HP SJ 6300; сканер ч/б; спектрофонометр 6ф-20; усилитель напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии; учебные наглядные пособия: "Лабораторные работы по физическому материаловедению"; "Специальный физический практикум по сканирующей зондовой микроскопии"" "Специальный физический практикум. Акустическая эмиссия в физике конденсированного состояния"

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Основной целью при изучении дисциплины является стремление показать области применения и формирование у будущих специалистов теоретических знаний и практических навыков по использованию законов физики для широкого спектра задач в различных областях.
Для эффективного изучения теоретической части дисциплины «Основы физики наноструктур» необходимо:
- построить работу по освоению дисциплины в порядке, отвечающим изучению основных этапов, согласно приведенным темам лекционного материала;
- систематически проверять свои знания по контрольным вопросам и заданиям;
- усвоить содержание ключевых понятий;
- плотно работать с основной и дополнительной литературой по соответствующим темам.
Для эффективного изучения практической части дисциплины «Атомная физика» рекомендуется:
- систематически выполнять подготовку к практическим занятиям и лабораторным работам по предложенным преподавателем тема и методическим указаниям;
- своевременно выполнять практические задания, лабораторные работы.
- своевременно и систематически защищать результаты своих экспериментальных исследований.
При подготовке к экзамену необходимо ориентироваться на конспекты лекций, рекомендуемую литературу и др.