fsoinsm - Высшая школа экономики

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины
«ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБЪЕМНЫХ И
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
для специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
Автор программы: Костин К.А., к.ф.-м.н., доцент, kkostin@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры Микросистемная техника, материаловедение и технологии
«___»____________ 20 г
Зав. кафедрой __________________В.П.Кулагин
Рекомендована секцией УМС Нанотехнологии и микросистемная техника
«___»____________ 20 г
Председатель __________________
Утверждена УС факультета Электроники и телекоммуникаций «___»_____________20 г.
Ученый секретарь ________________________
Москва, 2012
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями
университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Физические свойства объемных и наноструктурированных материалов для
специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
1. Цели и задачи дисциплины
Целью дисциплины является ознакомление с физическими свойствами объемных
проводниковых,
диэлектрических,
полупроводниковых,
магнитных
и
наноструктурированных материалов, изучение взаимосвязи между составом, структурой и
свойствами вышеперечисленных материалов.
Базовыми дисциплинами являются: высшая математика, общая физика, общая химия.
Изучение дисциплины направлено на решение следующих практических задач:
приобретение навыков экспериментального определения физических свойств материалов,
освоение принципов выбора материала в соответствии с предъявляемыми к нему
требованиями.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
физическую
сущность
явлений,
происходящих
в
объемных
и
наноструктурированных материалах в условиях производства и эксплуатации;
- взаимосвязь структуры материалов с их свойствами;
- области применения материалов;
уметь:
- оценивать поведение материала при воздействии на них различных
эксплуатационных факторов;
- обоснованно выбирать материал;
владеть:
- навыками работы с приборами, позволяющими определять свойства и оценивать
функциональные характеристики материалов.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Всего
часов
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Контрольная работа
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Домашнее задание
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
93
68
51
17
3
25
3
экзамен
2
Семестры
5
93
68
51
17
3
25
3
экзамен
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Физические свойства объемных и наноструктурированных материалов для
специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
4. Содержание дисциплины.
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№№ Раздел дисциплины
п/п
Л
час.
С
час.
ЛР
час.
1
Теория сплавов
12
0
4
2
3
Проводниковые материалы
Магнитные материалы
4
4
0
0
4
4
4
5
6
Диэлектрики
Полупроводники
Наноструктурированные материалы
12
12
8
0
0
0
4
0
0
4.2. Содержание разделов дисциплины.
Введение. Классификация материалов по составу, свойствам и назначению.
Раздел 1. Теория сплавов.
Кристаллическое строение металлов. Металлы. Классификация металлов.
Кристаллическое строение металлов. Кристаллические решётки металлов. Реальное строение
металлов. Анизотропия свойств кристаллических материалов. Кристаллизация.
Энергетические условия процесса кристаллизации. Механизм кристаллизации. Форма
кристаллических образований и строение слитка. Полиморфизм. Магнитные превращения.
Аморфное состояние. Механические свойства металлов. Упругая и пластическая
деформации. Механизм деформации. Сверхпластичность. Разрушение. Наклёп.
Рекристаллизация. Строение сплавов. Механическая смесь. Химическое соединение.
Твёрдый раствор на основе одного из компонентов сплава. Твёрдый раствор на основе
химического соединения. Упорядоченные твёрдые растворы. Фазы Юм-Розери. Фазы
Лавеса. Фазы внедрения. Диаграммы состояния. Правило фаз. Построение диаграмм
состояния. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых
компонентов (I рода). Правило отрезков. Диаграмма состояния для сплавов с
неограниченной растворимостью в твёрдом состоянии (II рода). Диаграмма состояния для
сплавов с ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии (III рода) с эвтектикой.
Диаграмма III рода с перитектикой. Диаграммы состояния. Диаграмма состояния для
сплавов, образующих химические соединения (IV рода). Диаграмма с устойчивым
химическим соединением. Диаграмма с неустойчивым химическим соединением. Диаграмма
состояния для сплавов, испытывающих полиморфные превращения. Связь между
свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Кристаллизация сплавов в
неравновесных условиях. Непрерывная кристаллизация жидкого раствора. Неравновесная
кристаллизация твердого раствора.
Раздел 2. Проводниковые материалы.
3
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Физические свойства объемных и наноструктурированных материалов для
специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
Общие сведения о проводниках. Физическая природа электропроводности металлов.
Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводников. Влияние
примесей и других структурных дефектов на удельное сопротивление металлов.
Электрические свойства металлических сплавов. Сопротивление проводников на высоких
частотах. Сопротивление тонких металлических плёнок. Размерные эффекты. Контактные
явления и термоэлектродвижущая сила. Классификация проводниковых материалов.
Материалы высокой проводимости. Сверхпроводящие металлы и сплавы. Сплавы высокого
сопротивления и сплавы для термопар. Металлы и сплавы различного назначения.
Неметаллические проводящие материалы.
Раздел 3. Магнитные материалы.
Общие сведения о магнетизме. Классификация материалов по магнитным свойствам.
Природа ферромагнитного состояния. Процессы, происходящие при намагничивании
ферромагнетиков. Влияние температуры на магнитные свойства ферромагнетиков.
Поведение
ферромагнетиков
в
переменных
магнитных
полях.
Особенности
ферромагнетиков. Доменные структуры в тонких магнитных плёнках. Классификация
магнитных материалов. Магнитомягкие материалы для постоянных магнитов и
низкочастотных магнитных полей. Магнитомягкие высокочастотные материалы. Магнитные
материалы специального назначения. Магнитотвёрдые материалы.
Раздел 4. Диэлектрики. Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации.
Классификация диэлектриков по механизмам поляризации. Влияние агрегатного состояния
на диэлектрическую проницаемость диэлектриков. Токи смещения и электропроводность
диэлектриков. Электропроводность газов. Электропроводность жидких диэлектриков.
Электропроводность твердых диэлектриков. Поверхностная электропроводность твердых
диэлектриков. Потери в диэлектриках. Виды диэлектрических потерь. Диэлектрические
потери в зависимости от агрегатного состояния вещества. Пробой диэлектриков.
Классификация диэлектрических материалов. Пассивные диэлектрики. Строение и
свойства полимеров. Линейные и пространственные полимеры. Структурные формы и
физические состояния полимеров. Состав полимерных цепей. Электрические свойства.
Нагревостойкость. Линейные полимеры. Композиционные порошковые пластмассы и
слоистые пластики. Электроизоляционные компаунды. Неорганические стекла. Ситаллы.
Керамика. Активные диэлектрики. Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрики. Пироэлектрики.
Электреты. Жидкие кристаллы. Материалы для твердотельных лазеров.
Раздел 5. Полупроводники. Собственные и примесные полупроводники. Основные и
неосновные носители заряда. Температурная зависимость концентрации носителей заряда.
Механизмы рассеяния и подвижность носителей заряда. Подвижность носителей заряда в
полупроводниках с атомной решеткой. Подвижность носителей заряда в ионных кристаллах.
Температурная зависимость удельной проводимости. Неравновесные носители заряда и
механизмы рекомбинации. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках.
Поглощение света. Механизмы оптического поглощения. Фотопроводимость. Релаксация
фотопроводимости. Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения.
Спектральная зависимость фотопроводимости. Люминесценция. Термоэлектрические
явления и эффект Холла. Термо-э.д.с. Эффект Холла. Полупроводники с носителями заряда
одного типа. Полупроводники с носителями заряда двух типов. Электропроводность
полупроводников в сильном электрическом поле. Наклон энергетических зон в
электрическом поле. Отступление от закона Ома. Эффект Ганна.
Германий. Свойства, применение. Кремний. Свойства, применение. Поверхность
кремния. Поликристаллический кремний. Карбид кремния. Свойства, применение.
4
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Физические свойства объемных и наноструктурированных материалов для
специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
Полупроводниковые соединения АIIIВV. Кристаллическая структура, химическая связь,
физико-химические и электрические свойства. примеси и дефекты структуры. Рекомбинация
носителей заряда. Получение монокристаллов и эпитаксиальных слоев. Применение.
Твердые растворы на основе соединений АIIIВV. Полупроводниковые соединения типа АIIВVI.
Строение и химическая связь. Поведение примесей. Особенности свойств. Применение.
Полупроводниковые соединения типа АIVВVI.
Раздел 6. Наноструктурированные материалы. Металлические нанокластеры.
Полупроводниковые наночастицы. Кластеры атомов редких газов и молекулярные кластеры.
Объемные наноструктурированные материалы. Разупорядоченные твердотельные структуры.
Механические свойства. Наноструктурированные многослойные материалы. Электрические
свойства. Другие свойства. Металлические нанокластеры в оптических стеклах. Пористый
кремний. Природные нанокристаллы. Упорядоченные структуры наночастиц в цеолитах.
Кристаллы из металлических наночастиц. Упорядоченные решетки наночастиц в
коллоидных суспензиях. Наноструктурированные кристаллы для фотоники.
4.3. Понедельный план проведения лекционных и практических занятий.
№
недели в
семестре
1.
№
недели
сквозно
й
1.
2.
2.
3.
3.
4.
4.
5.
5.
6.
6.
Содержание разделов дисциплины
Лекция: Введение. Раздел 1. Кристаллическое строение металлов.
Металлы. Классификация металлов. Кристаллическое строение
металлов. Кристаллические решётки металлов. Реальное строение
металлов. Анизотропия свойств кристаллических материалов.
Лекция: Раздел 1. Кристаллизация. Энергетические условия
процесса кристаллизации. Механизм кристаллизации. Форма
кристаллических образований и строение слитка. Полиморфизм.
Магнитные превращения. Аморфное состояние.
Лекция: Раздел 1. Механические свойства металлов. Упругая и
пластическая
деформации.
Механизм
деформации.
Сверхпластичность. Разрушение. Наклёп. Рекристаллизация.
Лекция: Раздел 1. Строение сплавов. Механическая смесь.
Химическое соединение. Твёрдый раствор на основе одного из
компонентов сплава. Твёрдый раствор на основе химического
соединения. Упорядоченные твёрдые растворы. Фазы Юм-Розери.
Фазы Лавеса. Фазы внедрения.
Лекция: Раздел 1. Диаграммы состояния. Правило фаз.
Построение диаграмм состояния. Диаграмма состояния сплавов,
образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода).
Правило отрезков. Диаграмма состояния для сплавов с
неограниченной растворимостью в твёрдом состоянии (II рода).
Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью
в твёрдом состоянии (III рода) с эвтектикой. Диаграмма III рода с
перитектикой.
Лекция: Раздел 1. Диаграммы состояния. Диаграмма состояния
для сплавов, образующих химические соединения (IV рода).
Диаграмма с устойчивым химическим соединением. Диаграмма с
неустойчивым химическим соединением. Диаграмма состояния для
5
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Физические свойства объемных и наноструктурированных материалов для
специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
7.
7.
8.
8.
9.
9.
10.
10.
11.
11.
12.
12.
13.
13.
14.
14.
сплавов, испытывающих полиморфные превращения. Связь между
свойствами
сплавов
и
типом
диаграммы
состояния.
Кристаллизация сплавов в неравновесных условиях. Непрерывная
кристаллизация жидкого раствора. Неравновесная кристаллизация
твердого раствора.
Лекция: Раздел 2. Общие сведения о проводниках. Физическая
природа
электропроводности
металлов.
Температурная
зависимость
удельного
сопротивления
металлических
проводников. Влияние примесей и других структурных дефектов
на удельное сопротивление металлов. Электрические свойства
металлических сплавов. Сопротивление проводников на высоких
частотах.
Лекция: Раздел 2. Сопротивление тонких металлических плёнок.
Размерные
эффекты.
Контактные
явления
и
термоэлектродвижущая сила. Классификация проводниковых
материалов. Материалы высокой проводимости. Сверхпроводящие
металлы и сплавы. Сплавы высокого сопротивления и сплавы для
термопар. Металлы и сплавы различного назначения.
Неметаллические проводящие материалы.
Лекция: Раздел 3. Общие сведения о магнетизме. Классификация
материалов по магнитным свойствам. Природа ферромагнитного
состояния. Процессы, происходящие при намагничивании
ферромагнетиков. Влияние температуры на магнитные свойства
ферромагнетиков. Поведение ферромагнетиков в переменных
магнитных полях. Особенности ферромагнетиков. Доменные
структуры в тонких магнитных плёнках.
Лекция: Раздел 3. Классификация магнитных материалов.
Магнитомягкие материалы для постоянных магнитов и
низкочастотных
магнитных
полей.
Магнитомягкие
высокочастотные материалы. Магнитные материалы специального
назначения. Магнитотвёрдые материалы.
Лекция: Раздел 4. Поляризация диэлектриков. Механизмы
поляризации. Классификация диэлектриков по механизмам
поляризации. Влияние агрегатного состояния на диэлектрическую
проницаемость
диэлектриков.
Токи
смещения
и
электропроводность диэлектриков.
Лекция:
Раздел
4.
Электропроводность
газов.
Электропроводность жидких диэлектриков. Электропроводность
твердых диэлектриков. Поверхностная электропроводность
твердых диэлектриков. Потери в диэлектриках. Виды
диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в зависимости от
агрегатного состояния вещества.
Лекция: Раздел 4. Пробой диэлектриков. Пробой в газах. пробой в
жидкостях. Пробой в твердых телах. Электрический пробой.
Тепловой пробой. Электрохимический пробой. Поверхностный
пробой твердых диэлектриков.
Лекция: Раздел 4. Классификация диэлектрических материалов.
Пассивные диэлектрики. Строение и свойства полимеров.
Линейные и пространственные полимеры. Структурные формы и
физические состояния полимеров. Состав полимерных цепей.
6
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Физические свойства объемных и наноструктурированных материалов для
специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
15
15.
16.
16.
17.
17.
18.
18.
19.
19.
20.
20.
21.
21.
22.
22.
23.
24.
23.
24.
25.
25.
26.
26.
Электрические свойства. Нагревостойкость. Линейные полимеры.
Лекция: Раздел 4. Композиционные порошковые пластмассы и
слоистые пластики. Электроизоляционные компаунды.
Неорганические стекла. Ситаллы. Керамика.
Лекция: Раздел 4. Активные диэлектрики. Сегнетоэлектрики.
Пьезоэлектрики. Пироэлектрики. Электреты. Жидкие кристаллы.
Материалы для твердотельных лазеров.
Лекция: Раздел 5. Собственные и примесные полупроводники.
Основные и неосновные носители заряда. Температурная
зависимость концентрации носителей заряда. Механизмы
рассеяния и подвижность носителей заряда. Подвижность
носителей заряда в полупроводниках с атомной решеткой.
Подвижность носителей заряда в ионных кристаллах.
Температурная
зависимость
удельной
проводимости.
Неравновесные носители заряда и механизмы рекомбинации.
Лекция: Раздел 5. Оптические и фотоэлектрические явления в
полупроводниках. Поглощение света. Механизмы оптического
поглощения. Фотопроводимость. Релаксация фотопроводимости.
Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения.
Спектральная зависимость фотопроводимости. Люминесценция.
Лекция: Раздел 5. Термоэлектрические явления и эффект Холла.
Термо-э.д.с. Эффект Холла. Полупроводники с носителями заряда
одного типа. Полупроводники с носителями заряда двух типов.
Электропроводность полупроводников в сильном электрическом
поле. Наклон энергетических зон в электрическом поле.
Отступление от закона Ома. Эффект Ганна.
Лекция: Раздел 5. Германий. Свойства, применение. Кремний.
Свойства,
применение.
Поверхность
кремния.
Поликристаллический кремний.
Лекция: Раздел 5. Карбид кремния. Свойства, применение.
Полупроводниковые
соединения
АIIIВV.
Кристаллическая
структура, химическая связь, физико-химические и электрические
свойства. примеси и дефекты структуры. Рекомбинация носителей
заряда. Получение монокристаллов и эпитаксиальных слоев.
Применение.
Лекция: Раздел 5. Твердые растворы на основе соединений АIIIВV.
Полупроводниковые соединения типа АIIВVI. Строение и
химическая связь. Поведение примесей. Особенности свойств.
Применение. Полупроводниковые соединения типа АIVВVI.
Лекция: Раздел 6. Металлические нанокластеры.
Лекция: Раздел 6. Полупроводниковые наночастицы. Кластеры
атомов редких газов и молекулярные кластеры.
Лекция: Раздел 6. Объемные наноструктурированные материалы.
Разупорядоченные твердотельные структуры. Механические
свойства. Наноструктурированные многослойные материалы.
Электрические свойства. Другие свойства. Металлические
нанокластеры в оптических стеклах.
Лекция: Раздел 6. Пористый кремний. Природные нанокристаллы.
Упорядоченные структуры наночастиц в цеолитах. Кристаллы из
металлических наночастиц. Упорядоченные решетки наночастиц в
7
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Физические свойства объемных и наноструктурированных материалов для
специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
коллоидных суспензиях. Наноструктурированные кристаллы для
фотоники.
5. Лабораторный практикум
№ п/п
1
2
3
№ раздела дисциплины
1
2
3
4
4
Наименование лабораторных работ
Металлографический анализ металлов и сплавов
Электрические свойства металлов и сплавов
Изучение влияния химического состава, обработки и
условий испытания на магнитные характеристики
магнитомягких материалов
Поляризация и диэлектрические потери в твердых
диэлектриках
6.Самостоятельная работа студентов
Самостоятельная работа студентов в течение двух семестров с общим объемом 85
часов должна быть направлена на углубленное изучение дисциплины по списку
обязательной и дополнительной литературы следующих разделов рабочей программы:
материалы электровакуумных и газоразрядных приборов, материалы функциональной
электроники, материалы средств отображения информации.
7.Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература.
Основная:
1) Суздалев И.П. «Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов». М.: Комкнига, 2006. – 592 с.
2) Пасынков В.В., Сорокин B.C.Материалы электронной техники : Учебник для студ.
вузов. - СПб.: Лань, 2003. – 367 с.
3) Пул Ч., Оуэнс Ф. «Нанотехнологии». – М.: Техносфера, 2006. – 336 с.
4) Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: Учебник для вузов. – М.:
Химиздат, 2004. – 736 с.
Дополнительная:
1) Старостин В.В. «Материалы и методы нанотехнологии». – М.: Бином.
Лаборатория знаний, 2008. – 431 с.
2) Фостер Л. «Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности». – М.: Техносфера,
2008. – 352 с.
3) «Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника. Мировые достижения 2008 год» – М.: Техносфера, 2008. – 432 с.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Учебная лаборатория кафедры материаловедения электронной техники.
8
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Физические свойства объемных и наноструктурированных материалов для
специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
Лаборатория металлографического анализа: металломикроскопы, коллекции металлографических шлифов, альбомы микрофотографий, плакаты с изображениями фазовых
диаграмм равновесия, Периодическая система химических элементов, проекционный
телевизор с компьютерным управлением.
Лаборатория физических свойств материалов:
установка бесконтактного
электродинамического измерения поверхностного электрического сопротивления тонких
резистивных пленок на ситалловых подложках, комплект образцов, персональный
компьютер; установка трансформаторного типа для измерения петли магнитного
гистерезиса магнитномягких
материалов,
комплект
образцов,
персональный
компьютер.
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 210600
«Нанотехнология» для специальности 210602 «Наноматериалы».
9