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.01 |
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
| ПК-2 | Способен выполнять операции контроля, измерения и испытания для выявления параметров состава, структуры и свойств (инженерных, эксплуатационных, технологических) материала |
| ПК-3 | Способен проводить сортировку образцов после испытаний, обеспечивать изоляцию и хранение образцов, вносить предложения по разработке эффективных способов утилизации образцов |
| 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 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 1.2. | Общее понятие наноструктур, их классификация, самые общие свойства, способы изготовления | Сам. работа | 2 | 14 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 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 | 2 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 2.2. | Исследование пластических свойств металлов в условиях термомеханического нагружения | Практические | 2 | 6 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 2.3. | Наноструктурные материалы для перспективных применений | Сам. работа | 2 | 14 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| Раздел 3. Планарные дефекты кристаллического строения. | ||||||
| 3.1. | Виды планарных дефектов и их кристаллическое строение. | Лекции | 2 | 2 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 3.2. | Внешняя поверхность как дефект кристаллического строения | Сам. работа | 2 | 12 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| Раздел 4. Распады пересыщенных твёрдых растворов | ||||||
| 4.1. | Механизмы распада: 1 - зарождения и роста | Лекции | 2 | 4 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 4.2. | Элементарные процессы, протекающие в закаленном алюминиево-магниевом сплаве при ступенчатом отжиге | Практические | 2 | 6 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 4.3. | Спинодальный распад | Сам. работа | 2 | 14 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| Раздел 5. Аморфные наноструктуры | ||||||
| 5.1. | Строение и физико-химические свойства аморфных сплавов. Металлические стёкла. Типы систем склонных к аморфизации. | Лекции | 2 | 4 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 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 | 14 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 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 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 6.2. | Получение тонких металлических пленок резистивным методом | Практические | 2 | 6 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 6.3. | Получение тонких металлических пленок магнетронным методом | Практические | 2 | 6 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 6.4. | Механизмы зарождения и роста тонкоплёночного конденсата | Сам. работа | 2 | 10 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| Раздел 7. Углеродные наноструктуры | ||||||
| 7.1. | Углеродные наноструктуры: алмаз, графит, карбин, фуллерены, нанотрубки. Методы получения углеродных наноструктур. | Лекции | 2 | 2 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 7.2. | Получение углеродного тонкопленочного конденсата методом лазерного испарения графитовой мишени | Практические | 2 | 8 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 7.3. | Методы получения углеродных наноструктур | Сам. работа | 2 | 12 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| Раздел 8. Детонационный наноалмаз | ||||||
| 8.1. | Получение, структура и свойства детонационного алмаза. | Лекции | 2 | 2 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
| 8.2. | Примесная подсистема детонационного состава | Сам. работа | 2 | 9 | ПК-3, ПК-2 | Л2.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1 |
5. Фонд оценочных средств
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| 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 для проведения текущего контроля (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 для проведения промежуточной аттестации |
| 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 | Гусев А.И. | Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии [Электронный ресурс]: учебное пособие | М.: Физматлит, 2009 | e.lanbook.com |
| Л1.2 | Кузнецов Н.Т., Новоторцев В.М., Жабрев В.А., Марголин В.И. | Основы нанотехнологии [Электронный ресурс]: учебник | М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014 | biblioclub.ru |
| 6.1.2. Дополнительная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л2.1 | Рамбиди Н.Г., Берёзкин А.В. | Физические и химические основы нанотехнологий [Электронный ресурс]: учебное пособие | М.: Физматлит, 2009 | e.lanbook.com |
| Л2.2 | Абрамчук Н.С., Авдошенко Н.С., Баранов А.Н. | Нанотехнологии [Электронный ресурс]: учебное пособие | М.: Физматлит, 2009 | e.lanbook.com |
| Л2.3 | Епифанов И.Г. | Физика твердого тела [Электронный ресурс] : учебное пособие | СПб.:Лань, 2011 | e.lanbook.com |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | Основы физики наноструктур, автор Макаров С.В. | portal.edu.asu.ru | ||
| 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 AcrobatReaderMicrosoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно); Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно); Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses), (бессрочно); 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt), (бессрочно); AcrobatReader (http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно); ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (https://astralinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно); LibreOffice (https://ru.libreoffice.org/), (бессрочно); Веб-браузер Chromium (https://www.chromium.org/Home/), (бессрочно); Антивирус Касперский (https://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024); Архиватор Ark (https://apps.kde.org/ark/), (бессрочно); Okular (https://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно); Редактор изображений Gimp (https://www.gimp.org/), (бессрочно) | ||||
| 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. |