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

Сканирующая зондовая микроскопия

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра общей и экспериментальной физики
Направление подготовки03.06.01. Физика и астрономия
НаправленностьФизика конденсированного состояния вещества
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость3 ЗЕТ
Учебный план03_06_01_Физ_конд_-234-2020
Часов по учебному плану 108
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 45
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 5

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 3 (5) Итого
Недель 19
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 36 36 36 36
Сам. работа 45 45 45 45
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 108 108 108 108

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

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

Рабочая программа дисциплины
Сканирующая зондовая микроскопия

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.06.01 ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ (уровень подготовки кадров высшей квалификации). (приказ Минобрнауки России от 30.07.2014г. № 867)

составлена на основании учебного плана:
03.06.01 Физика и астрономия
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
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 Плотников Владимир Александрович


1. Цели освоения дисциплины

1.1.Целью дисциплины является достижение студентами ясного понимания принципа работы конструкции сканирующих зондовых микроскопов, понимания реальности изменения ее под нужды эксперимента, а также появление у студентов веры в возможность создания такого сложного экспериментального оборудования, как сканирующие зондовые микроскопы, своими собственными руками.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.03

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

УК-1 способностью к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях
ОПК-1 способностью самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий
ПК-1 способность владеть: фундаментальными разделами физики, новейшими достижениями физики, теоретическим и экспериментальным аппаратом исследования физических явлений и процессов, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии с профилем программы подготовки аспирантов)
ПК-3 умение выбирать методы и средства решения задач, проводить, методами системного анализа, анализ фундаментальных свойств различных физических процессов и аппаратуры, построенной на их основе, грамотно планировать и осуществлять эксперимент
ПК-6 способность владеть современными компьютерными технологиями моделирования физических процессов и использовать знания в области информационных технологий, современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.физические принципы работы всех составляющих СЗМ, в том числе сканеров, зондов, двигателей подвода, систем амортизации и виброзащиты, лазерной системы слежения за зондом и систем управления; физические принципы работы и конструктивные схемы СЗМ и их отдельных узлов; экспериментальные приёмы получения атомного разрешения в СЗМ; математические основы методов обработки и анализа СЗМ – кадров; физические принципы получения дополнительной к рельефу информации о физических характеристиках образцов
3.2.Уметь:
3.2.1.собирать сканирующий туннельный и атомно-силовой микроскопы из их компонент; настраивать рабочие параметры и получать кадры рельефа и соответствующие ему карты физических характеристик образцов
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.практическими навыками сборки и настройки СЗМ; практическими навыками использования СЗМ для проведения физических экспериментов

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1.
1.1. История открытия и развития конструкций сканирующих зондовых микроскопов. Лекции 5 5 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.2. Сканирующий туннельный микроскоп. Лекции 5 6 ПК-1, ПК-3, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.3. Получение атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе. Лекции 5 5 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.4. Сканирующий атомно-силовой микроскоп. Лекции 5 5 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.5. Получение атомарного разрешения в атомно-силовом микроскопе. Лекции 5 5 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.6. Методы обработки и анализа кадров сканирующей зондовой микроскопии. Лекции 5 5 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.7. Методики получения физических характеристик образца в сканирующих зондовых микроскопах. Лекции 5 5 ПК-3, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.8. История открытия и развития конструкций сканирующих зондовых микроскопов. Сам. работа 5 6 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.9. Сканирующий туннельный микроскоп. Сам. работа 5 7 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.10. Получение атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе. Сам. работа 5 6 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.11. Сканирующий атомно-силовой микроскоп. Сам. работа 5 7 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.12. Получение атомарного разрешения в атомно-силовом микроскопе. Сам. работа 5 6 ОПК-1, ПК-1, ПК-6 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.13. Методы обработки и анализа кадров сканирующей зондовой микроскопии. Сам. работа 5 6 ОПК-1, ПК-1, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1
1.14. Методики получения физических характеристик образца в сканирующих зондовых микроскопах. Сам. работа 5 7 ОПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.3, Л2.2, Л2.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
1. Перечислите межатомные связи в кристаллах. Объясните причину появления и роль Вандерваальсово взаимодействия.
2. Назовите основные компоненты СЗМ и их назначение.
3. Назовите виды датчиков и принципы их действия.
4. Объясните понятие пьезоэлектрического эффекта и принцип действия пьезоэлектрического двигателя. Опишите различные конструкции сканеров.
5. Опишите общую конструкцию прибора NanoEducator.
6. Объясните конструкцию зондового датчика туннельного тока/ силового взаимодействия прибора NanoEducator и принцип его действия.
7. Опишите механизм подвода зонда к образцу в приборе NanoEducator. Поясните параметры, определяющие силу взаимодействия зонда с образцом.
8. Объясните принцип сканирования и работы системы обратной связи. Расскажите о критериях выбора параметров сканирования.
9. Опишите зависимость силы взаимодействия от расстояния зонд-образец.
10.Назовите основные режимы работы АСМ и их назначение.
11.Объясните основные способы детектирования силы в контактном режиме АСМ.
12.Объясните принцип работы неконтактного АСМ.
13.Для чего используется режим измерения фазового контраста при работе в неконтактном режиме АСМ?
14.Поясните устройство и принцип действия неконтактного силового датчика прибора NanoEducator.
15.Опишите режим выполнения спектроскопии в приборе NanoEducator.
16.Назовите основные компоненты СТМ и их назначение. Объясните принцип работы СТМ на примере туннельного контакта двух проводников.
17.Поясните устройство и принцип действия туннельного сенсора. Опишите основные параметры, которые вы будете определять в работе.
18.Что такое режим постоянного тока и постоянной высоты? Что такое V- и Z-модуляция? Для чего они применяются?
19.Туннельная спектроскопия. Объясните влияние направления туннелирования электронов на изображение поверхности кремния.
20.Назовите факторы, определяющие качество изображения в СТМ. Какие требования предъявляются к СТМ-зонду?
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
1. Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов. Сканирующие элементы и способы перемещения иглы и образца. Понятие обратной связи.
2. Объясните понятие пьезоэлектрического эффекта и принцип действия пьезоэлектрического двигателя. Опишите различные конструкции сканеров и туннельных микроскопах. Защита зондовых микроскопов от внешних взаимодействий.
3. Объясните принцип сканирования и работы системы обратной связи. Расскажите о критериях выбора параметров сканирования. Области применения вакуумных и атмосферных СТМ.
4. Опишите зависимость силы взаимодействия от расстояния зонд- образец.
5. Назовите основные режимы работы АСМ и их назначение.
6. Объясните основные способы детектирования силы в контактном режиме АСМ.
7. Объясните принцип работы бесконтактного АСМ.
8. Назовите основные компоненты СТМ и их назначение. Объясните принцип работы СТМ на примере туннельного контакта двух проводников. Измерение локальной работы выхода.
9. Туннельная спектроскопия. Объясните влияние направления туннелирования электронов на изображение. Какую информацию позволяет получать СТС ( для случая контакта с металлом, полупроводником и сверхпроводником)
10.Назовите факторы, определяющие качество изображения в СТМ. Какие требования предъявляются к СТМ-зонду. Опишите энергетические диаграммы игла-образец в случае положительного смещения потенциала.
11.Метод зонда Кельвина. Локальная плотность состояний. Область применения метода постоянного тока и постоянной высоты.
12.Приближения формулы для плотности тока (Simmons и три его приближенных значения). Что дает построение ВАХ в координатах Шоттки и Фаулера-Нордгейма.
13.Опишите поведения контакта образец-игла для случая одинаковых и разных уровней Ферми. Что такое нормализованная дифференциальная проводимость и где она применяется.
14.Модель Бардина. Матричные элементы в модели Бардина. Туннельный ток с учетом спинового вырождения.
15.Модель Терсофа-Хаммана. Диаграмма туннельного перехода на языке плотности состояний. Туннельный барьер с учетом разного соотношения между работой выхода иглы и образца.
16.Что дает допирование химического элемента (n и p допанты). Постоянные для пьезокерамики. Золотое правило Ферми.
17.Конструктивные отличия АСМ от СТМ. Отличия в типах исследуемых образцах. На каком принципе работы основан АСМ. Что явилось прототипом АСМ.
18.Какие используются фотодиоды в АСМ. Получение информации об интенсивности сигнала, а также об изменениях положения кантилевера (кручение и колебание).
19.Опишите области применимости 3 методов АСМ и их принципиальные отличия между собой. График зависимости силы Ван-дер-Ваальса от расстояния между кантилевером и поверхностью образца
20.Обработка изображение в АСМ (виды и их назначения). Влияние выбранной модели кантилевера на изображение в АСМ. Границы применимости multitipe кантилевера и связанные с ним дефектообразования. Виды кантилеверов. Области применения. Процесс изготовления кантилевера. Четыре модели кантилеверов для отладки изображения.
21.Как можно использовать АСМ для определения типа атома в кристаллической решётке.
22.Чувствительность метода (разрешающая способность) с использованием ограничений связанных только с лазерным пучком и кантилевером. Чувствительность метода (разрешающая способность) с использованием ограничений связанных ещё и с тепловыми флуктуациями.
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
см. приложение (ФОС)

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Вознесенский Э.Ф., Шарифуллин Ф.С., Абдуллин И.Ш. Методы структурных исследований материалов. Методы микроскопии [Электронный ресурс]: учебное пособие Казань : КНИТУ, 2014 http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=428294
Л1.2 Газенаур Е.Г., Кузьмина Л.В., Крашенинин В.И. Методы исследования материалов [Электронный ресурс]: учебное пособие Кемерово : Кемеровский государственный университет, 2013 http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=232447
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике [Электронный ресурс]: монография М.: Техносфера, 2014 biblioclub.ru
Л2.2 Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии [Электронный ресурс]: монография М.: Физматлит, 2009 biblioclub.ru
Л2.3 Филимонова Н.И., Кольцов Б.Б. Методы исследования микроэлектронных и наноэлектронных материалов и структур: сканирующая зондовая микроскопия [Электронный ресурс]: учебное пособие Новосибирск : НГТУ, 2013 biblioclub.ru
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 http://biblioclub.ru/index.php?page=main_ub_red
Э2 http://www.e-library.ru
Э3 http://e.lanbook.com
Э4 https://biblio-online.ru
Э5 http://znanium.com
6.3. Перечень программного обеспечения
Open Office
MS Office, Word, Excel, PowerPoint, Access, MS Paint
Adobe Photoshop
WinRAR, WinZIP
Far Manager, Total Commander
Internet Explorer, Google Chrome
Программное обеспечение для управления сканирующим зондовым микроскопом «SolverNext».
Microsoft Windows
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем
www.gpntb.ru/ Государственная публичная научно-техническая библиотека
www.nlr.ru/ Российская национальная библиотека
Статьи из российских научных журналов. Адрес библиотеки: http://elibrary.ru/defaultx.asp
www.rsl.ru/ Российская государственная библиотека
www.e.lanbook.com
www.elibrary.ru
www.intuit.ru/ Образовательный сайт
Портал ЭМИРС http://mocnit.miee.ru/orocs-miet/scripts/index.pl
Открытая физика (часть I) http://physics.ru/courses/op25part1/content/content.html#.V80iwVuLTcs
Открытая физика (часть II) http://physics.ru/courses/op25part2/content/content.html#.V80jOVuLTcs
Реферативная база CSA (Cambrige Scientific Abstracts). www.csa.com
Статьи из журналов американского физического общества. http://prola.aps.org
Статьи из журналов издательства Nature Publishing Group. http://www.nature.com

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
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"
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
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, мультимедийное оборудование стационарное или переносное)

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

см. приложение (ФОС)