551618 Процессы обработки материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
Факультет неорганической химии и технологии
Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
Учебно-методический комплекс по дисциплине
«Современные проблемы науки в области
материаловедения и технологии материалов и покрытий».
150600 «Материаловедение и технология
новых материалов»
Направления подготовки
Наименование магистерской программы "Микро и нанотехнологии в
производстве материалов и изделий электронной техники"
Квалификация (степень) Магистр
Форма обучения
очная
Составитель: к.х.н., доцент Смирнов С.А.
Иваново, 2011
Выписка из Государственного образовательного стандарта направления
“Материаловедение и технология новых материалов”
Степень (квалификация) – магистр техники и технологии
требования к обязательному минимуму содержания по дисциплине: “Современные
проблемы науки в области материаловедения и технологии материалов и покрытий”
История
развития
материаловедения
и
технологии
неметаллических (неорганических, органических) и металлических
материалов и покрытий; современные проблемы физического
металловедения и теорий обработки, литья и сварки металлов и сплавов,
совершенствования традиционных и разработка новых металлических
материалов и покрытий со специальными свойствами; проблемы
создания научных основ управления структурой и свойствами
материалов, разработки высокоэффективных и экологически чистых
технологий получения и обработки металлических материалов с
ДНМ.01 заданными свойствами; современные проблемы теоретического и
прикладного материаловедения и технологии неорганических,
полимерных и углеродных материалов и покрытий, сверхтвердых
материалов; научные основы материаловедения и технологии
материалов и покрытий в электронной технике, медицине, медицинской
технике, машиностроении и приборостроении; новейшие достижения в
области создания новых материалов и процессов, тонких пленок и
многослойных систем, самоинформирующих и интеллектуальных
материалов и покрытий, наноматериалов и нанотехнологий
Рабочая учебная программа
по дисциплине "Современные проблемы науки в области материаловедения и технологии
материалов и покрытий"
Курс 5, семестр 10. Экзамен 10 семестр.
Общее число часов по дисциплине 70
Аудиторные занятия
- 32 час.
Лекции
- 16 час.
Семинарские занятия
- 16 час.
Самостоятельная работа
- 38 час.
1. ВВЕДЕНИЕ.
1.1. Цели и задачи дисциплины.
Целью курса является изучение современных проблем науки в области
материаловедения и технологии материалов и покрытий, включая тенденции развития
микроэлектронных интегральных схем; принципиальные физические и технологические
ограничения микроминиатюризации электронных приборов; направления развития
технологии изделий электроники; а также проблемы и перспективы использования новых
материалов для создания электронных приборов. Одной из важных задач курса является
выработка подхода к проблемам электроники на основе учета единства принципов работы
приборов, свойств материалов и особенностей технологии.
1.2. Требования по дисциплине.
Студент должен иметь представление:
- об основных тенденциях развития электронного материаловедения;
- об основах современных субмикронных технологий, включая процессы
молекулярно-лучевой эпитаксии и основы электронно- и ионно-лучевых
технологий;
о проблемах выбора материалов для изготовления приборов с заданными
функциональными возможностями;
знать и уметь использовать:
- специальную научно-техническую и патентную литературу по современной
электронике;
иметь опыт:
- анализа новых достижений науки и техники в области электроники и электронного
материаловедения.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (учебные модули )
2.1 Модуль 1.
Лекционный материал 4 час.
История развития материаловедения и технологии неметаллических и металлических
материалов и покрытий. Специфика использования материалов в электронной технике,
связанная с существованием глубоких обратных связей технология прибора – свойства
материала.
Проблемы создания научных основ управления структурой и свойствами
материалов, разработки высокоэффективных и экологически чистых технологий
получения и обработки материалов с заданными свойствами. Проблемы совместимости
материалов в едином функциональном электронном устройстве.
2.1.2 Семинарские занятия 4 час.
Обсуждение вопросов использования материалов и их свойств в свете их возможных
применений в электронной технике.
2.1.3. Самостоятельная работа 8 час.
2.2 Модуль 2.
Лекционный материал 4 час.
Основы субмикронной технологии и технологии изделий наноэлектроники. Методы
получения покрытий. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Основы электронно- и ионнолучевых технологий, возможности плазмохимических технологий. Использование
сканирующего туннельного микроскопа для создания элементов нанометровых размеров.
Требования к технологическим процессам, материалам и оборудованию.
2.2.2. Семинарские занятия 4 час.
Обсуждение возможностей технологий и физических ограничений на свойства
материалов, связанных с размерными эффектами.
2.2.3. Самостоятельная работа 10 час.
2.3. Модуль 3.
Лекционный материал 4 час.
Функциональная электроника как один из путей дальнейшего развития электроники.
Интеграция физических явлений, принципов, функций и материалов. Проблемы
использования новых материалов в изделиях электронной техники. Высокотемпературная
сверхпроводимость и высокотемпературные сверхпроводники. Алмазоподобные
сверхтвердые тонкие пленки. Фуллерены и нанотрубки. Понятие о молекулярной
электронике.
2.3.2. Семинарские занятия 4 час.
Обсуждение рефератов и докладов по проблемам функциональной электроники и
электронного материаловедения.
2.3.3. Самостоятельная работа 10 час.
2.4. Модуль 4.
Лекционный материал 4 час.
Возможности применения высоких технологий для изготовления новых материалов в
традиционных отраслях промышленности: биомедицинские приложения (получение
полимерных и металлических материалов с новыми поверхностными активными
-
свойствами, стерилизация инструмента, очистка сточных вод, изготовление мембран и
т.д.); материалы и технологии их обработки в текстильной и легкой промышленности.
2.4.2. Семинарские занятия 4 час.
Обсуждения сообщений студентов об областях нетрадиционных применений новых
материалов.
2.4.3. Самостоятельная работа 10 час.
3. ФОРМЫ КОНТРОЛЯ
3.1. Промежуточные тестирование по модулям дисциплины, всего 4 - на 4, 8, 12, 16
неделях.
4. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
4.1. Основная:
1. Фистуль В.И. Новые материалы: Состояние, проблемы, перспективы: Учеб.пособие для
студ.по спец. "Материаловедение и технология новых материалов" / В. И. Фистуль. - М. :
МИСИС, 2009. - 141с
2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / Гусев, Александр
Иванович. - М.: Физматлит, 2009. - 410 с
3. Нанотехнологии в электронике / под ред. Ю. А. Чаплыгина. - М.: Техносфера, 2005. 446 с
3. Светцов В.И., Смирнов С.А. Корпускулярно -фотоные процессы и технологии: Учебное
пособие: Ивановский гос. химико-технологический университет. – Иваново, 2009. – 192 с.
4.2. Дополнительная:
Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века /
П. Харрис ; пер. с англ. под ред. и с доп. Л. А. Чернозатонского. - М. : Техносфера, 2003. 335 с
Эггинс Б. Химические и биологические сенсоры / Б. Эггинс ; пер. с англ. М. А. Слинкина .
- М. : Техносфера, 2005. - 335 с.
5. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ
5.1. Расчетные программы:
- расчет распределения концентрации примеси при ионной имплантации;
- расчет коэффициентов ионного распыления твердых тел;
- расчет скоростей осаждения тонких пленок МЛЭ.
5.2. Обучающе-контролирующие системы:
- тренировочные и контрольные тесты по каждому модулю.
5.3. Справочно-информационные системы:
- электронный учебник http://plasma.isuct.ru
4. График текущего и промежуточного контроля
№ недели 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Лекции
2
2
2
2
2
2
2
2
Семинары
4
4
4
4
4
4
4
4
Контроль
1
2
3
4
Зачет
Х
Порядок оценки работы студентов по дисциплине
Семестровая работа оценивается накопительно из расчета 50 баллов всего.
Обсуждение вопросов на семинарские занятия:
Подготовка и защита реферата
Контрольное тестирование:
Самостоятельная индивидуальная работа:
Студент также может получить дополнительные баллы


за самостоятельную работу (индивидуальное домашнее задание),
за активную работу на семинарских занятиях,
10
15
20
5

досрочное предоставление реферата, самостоятельность, проявленную при
его оформлении.
5. Карта обеспеченности дисциплины учебной и методической литературой
Сведения об обеспеченности образовательного процесса учебной литературой по
дисциплине
№
п/п
1
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Авторы, название, место издания,
издательство, год издания, количество
страниц
2
Фистуль В.И. Новые материалы:
Состояние, проблемы, перспективы:
Учеб.пособие для студ.по спец.
"Материаловедение и технология новых
материалов" / В. И. Фистуль. - М. :
МИСИС, 2009. - 141с. - Библиогр.:с.138141. - ISBN 5-87623-028-6.
Гусев А.И. Наноматериалы,
наноструктуры, нанотехнологии / Гусев,
Александр Иванович. - М.: Физматлит,
2009. - 410 с.: ил. - Библиогр. в конце гл. Имен. указ.: с. 401-407. - Предм. указ.: с.
403-410. - ISBN 5-9221-0582-5.
Нанотехнологии в электронике / под
ред. Ю. А. Чаплыгина. - М.: Техносфера,
2005. - 446 с. : ил. - Библиогр. в конце
глав. - ISBN 5-94836-059-8.
Меньшутина Н. В. Введение в
нанотехнологию / Н. В. Меньшутина. Калуга : Изд-во науч. лит. Бочкаревой Н.
Ф., 2006. - 131 с. - Библиогр. в конце гл. ISBN 5-89552-241-6.
Светцов В.И., Смирнов С.А.
Корпускулярно -фотоные процессы и
технологии: Учебное пособие:
Ивановский гос. химико-технологический
университет. – Иваново, 2009. – 192 с.
Харрис П. Углеродные нанотрубы и
родственные структуры. Новые
материалы XXI века / П. Харрис ; пер. с
англ. под ред. и с доп. Л. А.
Чернозатонского. - М. : Техносфера, 2003.
- 335 с. : ил. - (Мир материалов и
технологий). - Библиогр. в конце гл. Предм. указ.: с. 334-335. - ISBN 5-94836013-Х: 325-00
Эггинс Б. Химические и биологические
сенсоры / Б. Эггинс ; пер. с англ. М. А.
Слинкина . - М. : Техносфера, 2005. - 335
с. - (Мир электроники). - Библиогр. : с. 33335. – ISBN 5-94836-045-8 : 225-00.
Вид издания
Кол-во
(учебник, уч. обучающихся, Кол-во
пособие, и т.д.) одновременноэкземпляров
Категория
изучающих
в
(Основная,
данную
библиотеке
дополнительная) дисциплину
3
4
5
Колво
экз.
на
1
обуч.
6
Уч. пособие
основная
1
0,25
Учебник
основная
12
3
Учебник
основная
5
1.25
Учебник
основная
50
12,5
80
20
Учебник
основная
2
0,5
Учебник
основная
4
1
Уч. пособие.
основная
4
1
2
Мэттьюз, Ф. Композитные материалы :
Механика и технология: учеб. для физ.
материаловедческих спец. / Ф. Мэттьюз,
Р. Ролингс; пер. с англ. С. Л. Баженова. 8.
М. : Техносфера, 2004. - 407 с. : ил. - (Мир
материалов и технологий). - Библиогр. в
конце гл. - Предм. указ. : с. 405-406. ISBN 5-94836-032-6 : 225-00.
Киреев, Валерий Юрьевич. Технологии
микроэлектроники. Химическое
осаждение из газовой фазы / Киреев,
9. Валерий Юрьевич, А. А. Столяров. - М.:
Техносфера, 2006. - 191 с. : ил. - (Мир
электроники). - Библиогр. : с.188-190. ISBN 5-94836-039-3 : 225-00.
Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии
в электронике / Неволин, [Владимир
10. Кирилович]. - М. : Техносфера, 2005. - 148
с. - (Мир электроники). - ISBN 5-94836054-7 : 225-00
Миронов В. Основы сканирующей
зондовой микроскопии : учеб. пособие
для старших курсов вузов / В. Миронов;
Рос.акад. наук, Ин-т физики
11.
микроструктур г. Н. Новгород . - М. :
Техносфера, 2005. - 443 с. : ил. - (Мир
физики и техники). - Библиогр. : с. 140143. - ISBN 5-94836-034-2 : 225-00.
3
5
6
Учебник
основная
5
1,25
Учебник
дополнительная
40
10
Учебник
дополнительная
3
0,75
Учебник
дополнительная
2
0,5
6. Перечень практических занятий по дисциплине и программа их
проведения
Цель семинарских занятий – закрепление теоретического материала и выработка у
студентов умения решать вопросы и задачи по практическим аспектам учебной
дисциплины.
В соответствии с рабочей программой на семинарские занятия отводится 16 часов – по 4
часа на каждый модуль дисциплины. На первом занятии преподаватель доводит до
студентов порядок и график проведения занятий, максимальное количество баллов,
которое может набрать студент по каждому модулю в соответствии с принятой в
университете рейтинговой системой со 100-балльной шкалой оценок
Семинарские занятия по дисциплине строятся следующим образом:
1. Вводная преподавателя. Цели занятия, основные вопросы, которые должны быть
рассмотрены (0,5 часа).
2. Беглый опрос (0,2 часа).
3. Коллективное обсуждение вопросов (1 час) либо решение задач.
4. Подведение итогов, выводы, объявление оценок по занятию (0,3 часа).
Задания и задачи для самостоятельного решения на практическом занятии могут быть
дифференцированы по степени сложности. При этом можно использовать два пути:
1. Давать определенное количество задач для самостоятельного решения, равных по
трудности, а оценку ставить за количество решенных за определенное время задач.
2. Выдавать задания с задачами разной трудности и оценку ставить за трудность
решенной задачи.
По результатам самостоятельного решения задач следует выставлять по каждому
занятию оценку. Оценка предварительной подготовки студента к семинарскому занятию
может быть сделана путем экспресс-тестирования (тестовые задания закрытой формы) в
течение 5, максимум - 10 минут. Таким образом, на каждом занятии каждому студенту
выставляются по крайней мере две оценки.
6.2. Перечень практических занятий.
Тематика семинарских занятий соответствует названиям модулей дисциплины,
основные вопросы, выносимые на занятия, приведены в рабочей программе дисциплины.
7. Комплект заданий и задач для практических занятий
При проведении семинарских занятий используются задания и задачи из учебника [1] и
пособия [5]
8. Перечень лабораторных занятий по дисциплине и порядок их проведения
ГОС не предусмотрены лабораторные работы по данной дисциплине.
9. Перечень лабораторного оборудования и оргтехники
1. Компьютерный комплекс Intel Core2Duo 4400 BOX/Intel 945 Socket 775 SVGA LAN
AC97/DDR2 1024 Мб PC-6400/Seagate 160 Гб SATA2 7200/3.5” CR/Realtec 8139
Net/Keyboard Genius PS/2/Mouse Optic /22” TFT LG
11 шт.
2. Проектор Benq – MP610 1 шт.
3. Ноутбук Dell Inspiron 1501
1 шт.
4. Экран настенный 1 шт.
10. Комплект заданий для самостоятельной работы, тематика рефератов по
дисциплине
Самостоятельная работа по дисциплине организуется следующим образом:
 выполнение домашних расчетных или расчетно-аналитических заданий,
приведенных в учебном пособии [5] или выдаваемых преподавателем
индивидуально.
 поиск данных в Интернет для пополнения имеющейся на кафедре базы данных по
технологическим процессам и технологическому оборудованию. Преподаватель
указывает конкретную технологию или тип технологического оборудования.
Написание реферата. Примерная тематика рефератов приведена ниже. При подготовке
реферата рекомендуется использовать современную периодическую литературу и
специализированные сайты Интернет.
Примерный перечень тем рефератов
1. Фуллерены: свойства и перспективы применения
2. Нанотрубки: возможные области применения
3. Медная разводка элементов ИС
4. Современные высокотемпературные сверхпроводники
5. Предельные возможности субмикронной литографии
6. Напряженный кремний: получение, свойства и перспективы применение
7. Ионно-лучевая эпитаксия
8. Молекулярно-лучевая эпитаксия
9. Пористый кремний: получение, свойства и перспективы применения
10. Соединения AIIBVI: получение, свойства и перспективы применения
11. Сверхтвердые пленки и покрытия
12. Сканирующая туннельная микроскопия как метод исследования нанометровых
объектов
13. Металлические материалы с поверхностно активными свойствами
11. Примерная тематика курсовых проектов (работ)
ГОС не предусмотрены курсовые работы по данной дисциплине.
12. Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего,
промежуточного и итогового контроля
Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного
тестирования. Комплект тестовых заданий по дисциплине состоит из 100 заданий – в
основном закрытого типа. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает
20 заданий и генерируется с помощью программы тестового контроля знаний. Время
проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание. Пример
контрольного теста приведен ниже.
Вариант теста для компьютерного контроля знаний студентов
Материаловедение - это наука
о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими,
химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами
о материалах и их свойствах
о физическом и химическом строении новых материалов
Основные свойства материалов можно подразделить на
физические
механические
технологические
эксплуатационные
химические
К механическим свойствам материалов можно отнести
прочность
пластичность
твердость
температуру плавления
магнитную проницаемость
В настоящее время число наименований материалов применяемых в электронной технике
для различных целей, составляет
несколько сотен
несколько тысяч
несколько десятков тысяч
К наноструктурным материалам материалы с размером морфологических элементов менее
10 нм
100 нм
1 мкм
В наноструктурных материалах по сравнению с обычными изменяются следующие
фундаментальные характеристики
удельная теплоемкость
модуль упругости
коэффициент диффузии
магнитная проницаемость
плотность
Формирование нано- или ультрадисперсных структур происходит в результате процессов
кристаллизации
рекристаллизации
фазовых превращений
механической нагрузки
интенсивной пластической деформации
кристаллизации аморфных структур
Методы получения ультрадисперсных материалов разделяют на
химические
физические
механические
биологические
электрические
лазерные
К химическим методам синтеза УДМ можно отнести
осаждение
гель-метод
восстановления
термического разложения
выращивания
К основным направлениям получения объемных наноструктурных материалов можно
отнести
кристаллизацию аморфных материалов
компактирование ультрадисперсных порошков
интенсивная пластическая деформация
выращивание из газовой фазы
Чистота испаряемых материалов молекулярно-пучковой эпитаксии должна быть не хуже
99,999%
99,99999%
99,999999%
В рабочей камере при молекулярно-лучевой эпитаксии нужно поддерживать вакуум не
хуже
10-8 мм. рт. столба
10-8 Па
10-6 Па
Максимальная скорость роста эпитаксиальной пленки не может быть выше чем
1 мкм/мин
1000 нм/час
1 нм/с
Высокотемпературный тигель при молекулярно-пучковой эпитаксии изготавливают из
графита
кварца
нитрида бора
тантала
вольфрама
За какими параметрами роста эпитаксиальной пленки можно следить в реальном времени
чистота поверхности
температура образца
ориентация подложки
скорость роста
количество дефектов
Какими методами можно следить за параметрами роста эпитаксиальной пленки в
реальном времени
Дифракция быстрых электронов
оже спектроскопия
эллипсометрия
вторично-ионная масс-спектрометрия
Сопоставьте параметры роста эпитаксиальной пленки и параметры дифракционной
картины при дифракции быстрых электронов
чистота поверхности
температура образца
ориентация подложки
скорость роста
изменение яркости отраженного сигнала
изменение картины дифракции при критических температурах из-за перестройки
поверхности
изменение направления полос в дифракционной картине
осцилляция основного рефлекса дифракционной картины
К физическим свойствам материалов можно отнести
Температуру плавления
Плотность
Теплопроводность
Теплоемкость
К эксплуатационным свойствам материалов можно отнести
Огнестойкость
Термостойкость
Гигроскопичность
К технологическим свойствам материалов можно отнести
Индуктивность
Токсичность
Пирофобность
Удельная поверхность
Текучесть
Экзаменационные вопросы
1. Материалы - показатели развития цивилизации. История материаловедения.
2. Методы синтеза нанокристаллических порошков (газофазный, плазмохимический,
осаждения из коллоидных растворов, термического разложения и восстановления,
механосинтез, детонационный синтез и электровзрыв и т.д.)
3. Получение компактных нанокристаллических материалов (компактирование
нанопорошков, осаждения на подложку, кристаллизация аморфных сплавов и т.д.)
4. Свойства изолированных наночастиц и нанокристаллических порошков
5. Микроструктура компактных нанокристаллических материалов
6. Влияние размера зерен и границ раздела на свойства компактных наноматериалов
7. Высокотемпературная сверхпроводимость и высокотемпературные
сверхпроводники
8. Фуллерены и нанотрубки.
9. Молекулярно-лучевая эпитаксия
10. Электронно-лучевая и ионно-лучевая литография
11. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия
12. Строение и свойства привитых слоев кремнийорганических соединений
13. Применение поверхностно-модифицированных материалов (в сорбции, в
хроматографии, в сенсорах, в катализе, в биомедицине)
13. Программа использования инновационных методов
1. Использование мультимедиа технологий для чтения лекций (презентаций в
формате Microsoft Powerpoint).
2. Использование на семинарских занятиях компьютерных программ (Microsoft Excel
и MathCAD) для расчета и численных оценок.
3. Использование контрольно-тестовых программ контроля знаний студентов в конце
каждого модуля дисциплины.
4. Использование электронных библиотек, баз данных и научно-образовательных
ресурсов в Internet посвященным элеrтронному материаловедению.
5. Использование сервера http://plasma.isact.ru для размещения и доступа к
электронному учебнику с расширенным конспектом лекций, вопросами для
самопроверки, дополнительным задачам для практических занятий, семинаров и
тестам по дисциплине с возможностью дистанционного обучения и отправки
результатов.