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
«Теория дефектов в кристаллах»
для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра
Автор программы:
Бондаренко Г.Г., д.ф.-м.н.,профессор, gbondarenko@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии» «___»____________ 2013 г
Зав. кафедрой:
В.П.Кулагин
Рекомендована секцией УМС [Введите название секции УМС] «___»____________ 20 г
Председатель [Введите И.О. Фамилия]
Утверждена УС факультета [Введите название факультета] «___»_____________20 г.
Ученый секретарь [Введите И.О. Фамилия] ________________________ [подпись]
Москва, 2013
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
I. Пояснительная записка
Курс "Теория дефектов в кристаллах" читается студентам второго года обучения специальности 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» факультета электроники и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ. Общая продолжительность курса составляет 20 недель. Курс читается студентам в 3-4 модулях весеннего семестра.
Количество лекций (часы): 20
Количество практических занятий (часы): 30.
Кроме того, учебным планом предусмотрено написание студентами реферата и контрольной работы.
1. Цели и задачи дисциплины:
Целью дисциплины "Теория дефектов в кристаллах" является формирование у студентов знаний основ теории реальных кристаллов как объектов, обладающих нарушениями периодичности атомного строения - дефектами кристаллического строения, природы, свойств и поведения точечных, линейных, двумерных и объемных дефектов кристаллической решетки, достижение студентами глубокого понимания атомных механизмов связанных с ними процессов в кристаллах, влияния различных факторов, влияющих на эти процессы, а также особенностей поведения дефектов в наноструктурных материалах.
Задачами дисциплины являются:
- изучение студентами основных типов дефектов в твердых телах и физических явлений, обусловленных дефектами кристаллического строения;
- получение сведений, необходимых для решения прикладных задач при разработке и модификации материалов (в том числе и наноструктурных материалов) с повышенной эксплуатационной надежностью;
- приобретение практических умений расчета концентрации дефектов в реальных кристаллах, анализа физических процессов, протекающих в кристаллических материалах под действием различных факторов.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата:
Дисциплина «Теория дефектов в кристаллах» относится к вариативной части математического и естественнонаучного цикла (Б.2.В).
Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков, полученных в ходе изучения дисциплин «Математический анализ», «Физика», «Физика кристаллов», «Прикладная механика». Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями:
ОК-6 – способностью стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства;
ОК-10 – способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
ПК-1 – способность представить адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики;
ПК-8 – способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области нанотехнологии.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: механизмы образования и поведения основных типов несовершенств кристаллического строения твердых тел - точечных дефектов, дислокаций, дефектов упаковки, границ зерен и субзерен, методы определения их типовых и количественных характеристик, физические основы и закономерности явлений, обусловленных наличием и эволюцией дефектов в твердых телах.
Уметь: предсказать изменение концентрации и типа дефектов при различных внешних воздействиях (пластическая деформация, облучение, термическая обработка и др.), проводить анализ с целью возможного прогнозирования и улучшения физико-механических свойств кристаллических твердых тел (в частности, наноструктурных материалов).
Владеть: методами расчета концентрации дефектов в реальных кристаллах, методами анализа и выбора вида обработки реальных кристаллических материалов для модификации их эксплуатационных свойств.
4.Формы контроля
Курс «Теория дефектов в кристаллах» предполагает текущий и рубежный контроль. В качестве текущего контроля выступают контроль активности на практических занятиях, промежуточного - контрольная работа, реферат, рубежного контроля – зачет.
Структура итоговой оценки
Кумулятивная оценка складывается из нескольких элементов:
Для 3-го модуля:
работа на практических занятиях — 15%:
результаты освоения устройства и принципов работы экспериментального оборудования, методик изучения дефектов, а также определения их концентрации в кристаллических материалах;
активность при выполнении практических работ и обсуждении их результатов, участие в дискуссиях;
защита теоретической и практической частей работы, ответы на вопросы.
контрольная работа — 25%:
– зачет — 60%:
устные ответы (с подготовкой) на вопросы по темам курса. полнота и содержательность ответов на вопросы.
Для 4-го модуля:
работа на практических занятиях — 15%:
результаты освоения устройства и принципов работы экспериментального оборудования, а также методик определения характеристик физико-механических свойств материалов;
активность при выполнении практических работ и обсуждении их результатов;
защита теоретической и практической частей работы.
реферат — 25%:
полнота раскрытия темы;
оформление (электронный и бумажный вариант);
защита теоретической части реферата.
– зачет — 60%:
устные ответы (с подготовкой) на вопросы по темам курса. полнота и содержательность ответов на вопросы.
II. Тематический план учебной дисциплины
№№
|
Наименование темы
|
Модуль
|
Лекции (час.)
|
Практические занятия (час.)
|
Самостоятельная работа (час.)
|
11
|
Понятие об идеальных и реальных кристаллических твердых телах. Классификация дефектов в кристаллах
|
3
|
22
|
-
|
2
|
22
|
Понятие о точечных дефектах в кристаллических твердых телах
|
33
|
24
|
6
|
12
|
33
|
Понятие о дислокациях
|
33
|
44
|
4
|
10
|
44
|
Дефекты упаковки в кристаллах
|
44
|
22
|
-
|
2
|
55
|
Границы зерен и субзерен в кристаллических твердых телах
|
44
|
22
|
4
|
6
|
66
|
Особенности поведения дефектов в неметаллических кристаллах
|
44
|
44
|
8
|
14
|
77
|
Особенности поведения дефектов в наноструктурных материалах
|
44
|
22
|
8
|
12
|
|
Всего
|
2
|
220
|
30
|
58
|
III. СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
№ п/п
|
Наименование темы
|
Содержание
|
11.
|
Понятие об идеальных и реальных кристаллических твердых телах. Классификация дефектов в кристаллах.
|
Предмет и задачи курса. Аморфные и кристаллические твердые тела. Понятие об идеальном и реальном кристаллах. Кристаллические решетки. Плотноупакованные и неплотноупакованные кристаллические решетки. Коэффициент компактности кристаллической решетки. Кристаллографические пустоты. Классификация дефектов в кристаллах.
|
22.
|
Понятие о точечных дефектах в кристаллических твердых телах.
|
Определение и описание типов точечных дефектов – вакансий, междоузельных атомов, примесных атомов внедрения и замещения. Дефекты Френкеля и Шоттки. Гантели. Кроудионы. Комплексы точечных дефектов – вакансионные, междоузельные, комплексы «собственный дефект-примесный атом». Поры. Энергии образования и миграции дефектов и их комплексов. Равновесная и неравновесная концентрации точечных дефектов. Поведение точечных дефектов при закалке и облучении кристаллических твердых тел. Термически- и радиационно-стимулированная сегрегация компонентов в металлах и сплавах. Методы определения концентрации точечных дефектов.
|
33.
|
Понятие о дислокациях
|
Понятие о дислокациях. Краевая, винтовая и смешанная дислокации. Вектор Бюргерса, его свойства. Плотность дислокаций в кристаллах.
|
44.
|
Дефекты упаковки в кристаллах
|
Способы укладки атомных слоев кристаллической решетки. Дефекты упаковки как поверхностные (двумерные) дефекты кристаллической решетки. Дефекты упаковки внедрения и вычитания. Энергия дефектов упаковки. Поверхностное натяжение дефектов упаковки.
|
55.
|
Границы зерен и субзерен в кристаллических твердых телах
|
Монокристаллические и поликристаллические твердые тела. Зерна и субзерна. Границы наклона и кручения. Малоугловые границы, их образование. Симметричные и несимметричные малоугловые границы. Высокоугловые (большеугловые) границы зерен. Модели высокоугловых границ. Зернограничные ступеньки. Современные методы исследования моно- и поликристаллической структуры материалов.
|
66.
|
Особенности поведения дефектов в неметаллических кристаллах
|
Точечные дефекты в ионных кристаллах. Дефекты Шоттки и Френкеля. Центры окраски (электронные и дырочные) в ЩГК-кристаллах. Экситоны. Экситоны Френкеля и Ванье-Мотта. Влияние экситонов на образование F–центров в ионных кристаллах. Дислокации в ионных кристаллах, заряженные и незаряженные пороги на дислокациях. Электрические свойства дислокаций в ионных кристаллах.
Собственные и примесные точечные дефекты в полупроводниковых кристаллах. Комплексы точечных дефектов. А-центры, Е-центры, К-центры в полупроводниках. Точечные дефекты, связанные с нарушениями стехиометрии (стехиометрические точечные дефекты). Дислокации в полупроводниковых кристаллах. Решетки типов алмаза, сфалерита, вюрцита. 60о-ные дислокации (Aa - и Ab -дислокации). Положительные и отрицательные дислокации. Энергия дислокации. Плотность и подвижность дислокаций в полупроводниковых кристаллах.
|
77.
|
Особенности поведения дефектов в наноструктурных материалах
|
Точечные дефекты и их концентрация в наноструктурных материалах. Дислокации в наноструктурных материалах. Поведение дислокаций под действием сил изображения (конфигурационных сил) в нанообъектах. Характерный масштаб устойчивости дислокаций в нанокристаллах. Плотность дислокаций в наноструктурных материалах. Границы зерен и их строение в наноструктурных материалах.
|
IV. Практические занятия
№ п/п
|
Модуль
|
№ темы
курса
|
Наименование практических занятий
|
Трудо-емкость
(часы)
|
1
|
3
|
2
|
Атомные ступени на поверхности кремния
|
2
|
2
|
3
|
2
|
Электронно-микроскопическое исследование скоплений радиационных дефектов в кристаллических материалах
|
4
|
3
|
3
|
3
|
Микроскопическое исследование монокристаллов и эпитаксиальных пленок
|
4
|
4
|
4
|
5
|
Изучение топографии поверхности проводниковых материалов методом сканирующей туннельной микроскопии
|
4
|
5
|
4
|
6
|
Определение концентрации центров окраски в облученных щелочно-галоидных кристаллах
|
4
|
6
|
4
|
6
|
Изучение дефектов кристаллической структуры полупроводниковых материалов
|
4
|
7
|
4
|
7
|
Сканирующая зондовая микроскопия в исследовании поверхностной структуры наноматериалов
|
2
|
8
|
4
|
7
|
Цифровая обработка и анализ изображений поверхностных наноструктур в сканирующем зондовом микроскопе
|
2
|
9
|
4
|
7
|
Исследование топографии поверхности функциональных наноматериалов методом растровой электронной микроскопии
|
4
|
V. Темы рефератов
1. Образование и поведение точечных дефектов и их комплексов в металлах.
2. Методы определения концентрации точечных дефектов.
3. Дислокации в металлах.
4. Дефекты упаковки в кристаллических материалах.
5. Малоугловые и высокоугловые границы зерен.
6. Точечные дефекты в ионных кристаллах.
7. Дислокации в ионных кристаллах.
8. Точечные дефекты в полупроводниковых кристаллических материалах.
9. Дислокации в полупроводниковых кристаллических материалах.
10. Точечные дефекты в наноструктурных материалах.
11. Дислокации в наноструктурных материалах.
12. Точечные дефекты в наноструктурных материалах.
13. Границы зерен в наноструктурных материалах.
VI. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
а) основная рекомендуемая литература:
Бондаренко Г.Г., Кабанова Т.А., Рыбалко В.В. Материаловедение. Учебник для студентов вузов (под ред. Г.Г.Бондаренко). М., Высшая школа, 2007, 357 с.
Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. Учеб. пособие для студентов вузов. М., Металлургия, 1990, 336 с.
б) дополнительная литература:
Дикарева Р.П. Введение в кристаллофизику. Избранные вопросы. Учебное пособие. 2-е изд. М., Флинта, Наука, 2007, 240с.
Орлов А.Н.Введение в теорию дефектов в кристаллах. М., Высшая школа, 1983, 144 с.
Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч. 1. Дефекты решетки. Учебник. 2-е издание. М., МИСИС, 1999, 384 с
Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. Учебное пособие. 2-е изд. М., МИСиС, 2003,480с.
Рыжонков Д.И., Лёвина В.В., Дзидзигури Э.Л. Наноматериалы. Учебное пособие. М., БИНОМ. Лаборатория знаний.2008,365с.
в) рекомендуемая литература для самостоятельной работы
1. Готтштайн Г. Физико-химические основы материаловедения («Лучший зарубежный учебник», пер. с англ.). М., Бином, Лаборатория знаний, 2009,400 с.
2. Березин А.В., Кочкарева В.В., Костюкова Е.П. и др. Физико-механические свойства кристаллических структур. Учебное пособие. М..Мгиу,2007,310с.
3. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М., ФИЗМАТЛИТ, 2005, 416 с.
4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. Учеб. пособие для
студентов вузов. М., Издательский центр «Академия», 2005, 192 с.
5. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. М.,Физматлит, 2010, 456с.
6. Поздняков В.А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов. Учебное пособие. М.,МГИУ,2007,424с.
7. Шаскольская М.П. Кристаллография. М., Высшая школа, 1984, 376 с.
8. Суздалев И.П. Нанотехнология: физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с.
9. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М., Радио и связь, 1982, 240 с.
10.Суворов А.Л. Дефекты кристаллической и электронной структуры материалов.Учебное пособие. М., МИЭМ, 1988, 80 с.
11.Суворов А.Л. Влияние дефектов на структуру и свойства материалов. Учебное пособие. М., МИЭМ, 1989, 80 с.
12. Акишин А.И., Бондаренко Г.Г., Быков Д.В. и др. Физика воздействия концентрированных потоков энергии на материалы. Учебник. М., УНЦ ДО МГУ, 2004, 418 с.
13. Заболотный В.Т., Бондаренко Г.Г. Диагностика дефектов, создаваемых потоками высокоэнергетических частиц в материалах. М., МИЭМ, 2003, 34 с.
14. Булярский С.В., Светухин В.В. Физические основы управления дефектообразованием в полупроводниках. Ульяновск, УлГУ, 2002, 386 с.
г) учебно-методические материалы
1. Учебно-методическое пособие для проведения семинарского занятия с элементами инженерного тренинга «Сканирующая зондовая микроскопия в исследовании поверхностной структуры наноматериалов» (сост. Львов Б.Г., Бондаренко Г.Г., Николаевский А.В.). М., МИЭМ, 2010, 26с.
2. Методические указания к работе «Микроскопическое исследование монокристаллов и эпитаксиальных пленок» (сост. Костин К.А.). М., МИЭМ, 2011, 14с.
3. Методические указания к работе «Электронно-микроскопическое исследование скоплений радиационных дефектов, образованных при ионной бомбардировке материалов» (сост. Г.Г.Бондаренко). М., МИЭМ, 1985, 18с.
4. Методические указания к работе «Изучение дефектов кристаллической структуры полупроводниковых материалов» (сост. Кудрина Л.В.). М., МИЭМ, 1998, 23с.
5. Учебно-методическое пособие для проведения семинарского занятия с элементами инженерного тренинга «Исследование топографии поверхности функциональных наноматериалов методом растровой электронной микроскопии (сост. Бондаренко Г.Г., Гайдар А.И.). М., МИЭМ, 2011, 24с.
6. Учебно-методическое пособие для инженерного тренинга «Цифровая обработка и анализ изображений поверхностных наноструктур в сканирующем зондовом микроскопе» (сост. Львов Б.Г., Бондаренко Г.Г., Николаевский А.В.). М., МИЭМ, 2011, 18с.
7. Методические указания к работе «Определение концентрации центров окраски в облученных щелочно-галоидных кристаллах» (сост. Смирнов И.С., Кабанова Т.А.). М., МИЭМ, 1987, 18с.
8. Методические указания к работе «Изучение топографии поверхности проводниковых материалов методом сканирующей туннельной микроскопии» (сост. Костин К.А.). М., МИЭМ, 2011, 12с.
9. Учебный телефильм "Атомные ступени на поверхности кремния" производства Института физики полупроводников СО РАН, Новосибирск, 2007г.
VIII. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
- лаборатория изучения физико-механических свойств и структуры материалов кафедры «Материаловедение электронной техники». Перечень оборудования: установки для измерения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, установка для измерения микротвердости ПМТ-3, лазерная установка ГОС-1001, прибор для измерения комплекса механических свойств материалов, микроскопы оптические; просвечивающий электронный микроскоп, эмиссионный электронный микроскоп, растровый электронный микроскоп EVO 40 “ZEISS”.с рентгеновской приставкой для элементного анализа, сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000, участок термической обработки; прибор для исследования теплопроводности материалов, проекционный телевизор с компьютерным управлением.
IX. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Практические занятия предусматривают освоение экспериментального оборудования, элементарных приемов работы на нем, измерительных средств и методик определения характеристик материалов, обработку и интерпретацию экспериментальных данных. В некоторые практические занятия целесообразно включать элементы научных исследований, которые потребуют углубленной самостоятельной проработки теоретического материала.
По результатам занятия преподаватель оценивает активность каждого студента при выполнении практического задания и проводит опрос по теоретической и практической частям работы.
При проведении практических занятий необходимо создать условия для максимально возможного самостоятельного выполнения работ. Поэтому при проведении практического занятия преподавателю рекомендуется:
- провести экспресс-опрос по теоретическому материалу, необходимому для выполнения работы;
- оценить работу студента в лаборатории и полученные им данные;
- проверить подготовленный по результатам работы отчет и принять защиту студентом теоретической и практической частей работы.
Реферат выполняется студентом по теме, заданной преподавателем. При его выполнении студент осваивает работу с научно-технической литературой, библиографическими каталогами, реферативными журналами. При написании реферата студентом раскрывается сущность описываемой проблемы, ее современное состояние, оценивается влияние эксплуатационных факторов на исследуемые свойства материалов, обсуждаются различные способы улучшения свойств. Объем реферата – 15-25 страниц (шрифт Times New Roman; 1,5 интервала). Критерии оценки реферата – степень раскрытия заданной темы, освоение литературы, оформление работы, уровень понимания сущности и современного состояния описываемой проблемы (определяется в результате защиты реферата).
Контрольная работа — это письменная работа, выполняемая студентами в середине семестра и направленная на проверку усвоенных ими знаний и умений; выполняется по вопроснику, составленному преподавателем в соответствии с пройденным материалом. Полный вопросник раздается студентам за неделю до выполнения контрольной работы. Каждому студенту выдается по два вопроса. Работа выполняется студентами в течение 2-х часов и оценивается по десятибалльной системе.
Самостоятельная работа студентов - форма обучения, являющаяся продолжением освоения материала, изучаемого студентами в лекционных и практических занятиях.
Внеаудиторная самостоятельная работа направлена на глубокое изучение дисциплины по списку обязательной и дополнительной литературы, а также списку рекомендуемой литературы для самостоятельной работы, включает в себя глубокую проработку теоретических разделов курса, подготовку к выполнению и защите практических работ, написанию контрольной работы и реферата.
Форма проверки самостоятельной работы – контрольный опрос студентов на практических занятиях, проверка домашнего задания и реферата.
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 210602.65 «Наноматериалы».
Программу составил профессор кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии», доктор физико-математических наук Бондаренко Г.Г.
Настоящая программа рассмотрена на заседании кафедры «___»______ 2012 г, протокол №____ и рекомендована к применению в учебном процессе.
Заведующий кафедрой
д.т.н.,профессор В.П.Кулагин
Срок действия программы продлен на:
20__/20__ уч.год_______________________________________.
(подпись зав. кафедрой)
20__/20__ уч.год_______________________________________. (подпись зав. кафедрой)
|
