Физические принципы нанотехнологий

V курс, IX семестр

Лектор — профессор Образцов Александр Николаевич

Лекций: 32 часа, практических занятий: 4 часа.

Науки, связанные с наноматериалами и нанотехнологиями приобретают в настоящее время постоянно возрастающее значение в связи с переходом к новым технологическим укладам. Важным аспектом этих наук являются знания о физических свойствах наноматериалов, а также о физических принципах, лежащих в основе нанотехнологий и функционирования наноустройств. В лекционном курсе содержатся базовые знания о взаимосвязи физических свойств различных систем с их характерными размерами и, особенно, о свойствах наносистем. В рамках курса студенты познакомятся с современными методами создания и исследования наноматериалов, а также наносистем и наноустройств на их основе, с научными представлениями о физических явлениях, связанных с наноразмерными объектами.

Материалы курса

Материалы лекций доступны только пользователям кафедры после авторизации.

Структура курса

Тема 1, 1-2 неделя

Основные определения, связанные с наноматериалами, нанотехнологиями, наносистемами. Физические закономерности на наномасштабах.

Тема 2, 3-4 неделя

Основные принципы и методы исследования наноматерилов. Дифракционные ограничения. Микроскопия.

Тема 3, 5-7 неделя

Методы получения нуль-мерных, одномерных и двумерных наноструктур. Принципы литографических процессов.

Тема 4, 8-9 неделя

Механические свойства на наномасштабах. Электромеханические системы.

Тема 5, 10-11 неделя

Электронные свойства на наномасштабах. Наноэлектронные устройства.

Тема 6, 12-13 неделя

Оптические свойства наноматериалов. Фотонные кристаллы.

Тема 7, 14 неделя

Магнитные свойства наноматериалов.

Тема 8, 15-16 неделя

Углеродные наноматериалы, технологии получения и приборы.

Вопросы для экзамена по курсу «Физика углеродных материалов»

1. Признаки, отличающие наноматериалы от материалов других типов.
2. Размерные эффекты в квантовых ямах
3. Типы квантовых ям и принципы их формирования
4. Баллистическая проводимость
5. Принцип работы туннельного диода
6. Идеальная и реальная поверхность кристаллов
7. Реконструкция поверхности кристалла
8. Методы получения атомарно чистой поверхности
9. Поверхностные электронные состояния
10. Область пространственного заряда
11. Влияние размеров кристаллов на область пространственного заряда
12. Квантовый эффект Холла
13. Осцилляции Шубникова - де Гааза
14. Принцип действия емкостной системы линейного сдвига
15. Принцип действия емкостной системы поворота (изгиба)
16. Размерные эффекты в MEMS устройствах
17. Процессы на поверхности подложки при осаждении материала
18. Механизмы формирования тонких пленок
19. Гомо- и гетеро-эпитаксия
20. Метод термического распыления в вакууме
21. Электронно-лучевое распыление в вакууме
22. Молекулярно-лучевая эпитаксия
23. Катодное распыление
24. Магнетронное распыление
25. Метод нанесения пленок с помощью лазерного распыления
26. Метод химического осаждения из газовой фазы
27. Метод химического осаждения из газовой фазы, активированной плазмой
28. Физические и химические методы получения пленок
29. Сухое и влажное травление
30. Сухое травление в газоразрядной плазме
31. Назначение и принцип действия резистов
32. Принципы литографического процесса
33. Методы получения атомарно чистой поверхности
34. Фотолитография - принцип, варианты реализации
35. Разрешающая способность фотолитографического процесса
36. Электронно-лучевая литография - принцип, варианты реализации
37. Ионно-лучевая литография
38. Получение кластеров с помощью сверхзвукового газового потока
39. Модель «желе» для кластеров
40. Влияние размера кластеров на его электронные свойства
41. Оптические свойства нанокластеров
42. Фотонные кристаллы
43. Фотонная запрещенная зона
44. Природные фотонные кристаллы
45. Методы получения фотонных кристаллов
46. Понятие аллотропии. Аллотропные углеродные материалы
47. Понятие гибридизации электронных орбиталей. Типы гибридизации в углеродных материалах
48. Сигма и пи орбитали в графите и алмазе
49. Фазовая диаграмма состояния углерода, области стабильных и метастабильных состояний
50. Типы графитоподобных материалов
51. Типы алмазоподобных материалов
52. Получение нано-алмаза с помощью ударной волны
53. Отличие нано-алмаза от объемных форм алмаза
54. Методы получения фуллеренов
55. Структура фуллеренов
56. Условия формирования замкнутых и искривленных слоев графена
57. Механизмы формирования фуллеренов
58. Методы получения углеродных нанотрубок
59. Механизмы формирования углеродных нанотрубок
60. Фуллериты
61. Фуллериды
62. Эндоэдральные фуллерены
63. Полимеризация фуллеренов
64. Структурные типы углеродных нанотрубок
65. Хиральность углеродных нанотрубок
66. Металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки
67. Дополнительные правила отбора в углеродных нанотрубках
68. Особенности деформации углеродных нанотрубок

Список рекомендованной литературы

1. А.А. Елисеев, А.В. Лукашин, «Функциональные наноматериалы» Издательство «Физматлит», Москва, 2010.
2. Nanotechnology, Ed. G. Timp, Springer, N.Y., 1998.
3. Нанотехнологии в электронике, под. ред. Ю.А. Чаплыгина, Издательство Техносфера, Москва, 2005.
4. Э.Р. Кларк, К.Н. Эберхардт, «Микроскопические методы исследования материалов», Издательство «Техносфера», Москва, 2007.
5. Э. Розеншер, Б. Винтер, Оптоэлектроника, Издательство «Техносфера», Москва, 2006.
6. K. Autum, Y.A. Liang. S.T. Hsien, W. Zesch, W.P. Chan, T.W. Kenny, R. Fearing, R.J. Full, Adhesive force of a single gecko foot-hair, Nature, (2000) 405, 681-685.
7. A.N. Cleland, M.L. Roukes, A nanometer scale mechanical electrometer, Nature (1998) 392, 160-162.
8. P. Reddy, S.-Y. Jang, R.A. Segalman, A. Majumdar, Thermoelectricity in Molecular Junctions, Science, (2007) 315, 1568-1571.
9. H.M. Saavedra, Th.J. Mullen, P. Zhang, D.C. Dewey, S.A. Claridge, P.S. Weiss, Hybrid strategies in nanolithography, Rep. Prog. Phys. (2010), 73, 036501.