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 «Магнетизм в наноструктурах и спинтроника»
для направления 210600 «Нанотехнологии» (специальность 210602.65 «Наноматериалы» ) подготовки специалистов
Авторы программы:
Петров В.С., к.т.н., доцент
Васильевский В.В. vvasil@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии» «_29_»_августа_ 2013 г
Зав. кафедрой Кулагин В.П.
Рекомендована секцией УМС по электронике«___»____________ 20 г
Председатель С.У.Увайсов
Утверждена УС факультета электроники и телекоммуникаций
«___»_____________20 г.
Ученый секретарь В.П.Симонов ________________________ [подпись]
Москва, 2013
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1. Цели и задачи дисциплины
Целью дисциплины является изучение взаимодействия собственных магнитных моментов электронов (спинов) с электромагнитными полями для разработки на основе обнаруженных явлений и эффектов спинэлектронных приборов и устройств. Базовыми дисциплинами являются: высшая математика, общая физика, общая и физическая химия, физические свойства металлов и сплавов, инженерная и компьютерная графика. Изучение дисциплины направлено на решение следующей практической задачи: освоение принципов выбора материалов в производстве элементов наноэлектроники с заданным уровнем физических параметров и долговечности работы. Курс «Магнетизм в наноструктурах и спинтроника» является дисциплиной по выбору.
Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины студенты должны иметь основные представления в следующих разделах физики и физической химии:
- физические и физико-химические свойства поверхности твердых тел,
- методы диагностики поверхности,
- основы технологии изготовления магнитных наноструктур,
- электрические и магнитные свойства макро-, мезо-, микро- и наноразмерных объектов электроники,
Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
|
Всего часов
|
Семестры
|
7
|
|
|
|
Общая трудоемкость дисциплины
|
160
|
160
|
|
|
|
Аудиторные занятия
|
68
|
68
|
|
|
|
Лекции (Л)
|
51
|
51
|
|
|
|
Практические занятия (ПЗ)
|
17
|
17
|
|
|
|
Семинары (С)
|
-
|
-
|
|
|
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
-
|
-
|
|
|
|
И (или) другие виды аудиторных занятий
|
-
|
-
|
|
|
|
Самостоятельная работа
|
92
|
92
|
|
|
|
Курсовой проект (работа)
|
-
|
-
|
|
|
|
Расчетно-графические работы
|
-
|
-
|
|
|
|
Реферат
|
|
|
|
|
|
И (или) другие виды самостоятельной работы
|
-
|
-
|
|
|
|
Вид итогового контроля
(зачет, экзамен)
|
зачет
|
зачет
|
|
|
|
Содержание дисциплины
Разделы дисциплины и виды занятий.
|
|
Аудиторные занятия
|
№ п/п
|
Раздел дисциплины
|
Лекции
|
ПЗ
(илиС)
|
ЛР
|
1
|
Физико-химические основы материаловедения
|
4
|
2
|
|
2
|
Физика поверхности, методы исследования
|
8
|
-
|
|
3
|
Магнитные свойства изолированных микро- и наночастиц
|
4
|
2
|
|
4
|
Магнитные явления в твердых телах
|
6
|
3
|
|
5
|
Спиновая электроника
|
8
|
2
|
|
6
|
Методы получения магнитных материалов и исследования их магнитного поведения.
|
4
|
2
|
|
7
|
Межкристаллитное магнитное взаимодействие в магнитных наноструктурах
|
6
|
2
|
|
8
|
Межкристаллитное магнитное взаимодействие и процессы перемагничивания в магнитных наноструктурах
|
6
|
2
|
|
9
|
Эксплуатационные характеристики магнитных наноструктур
|
5
|
2
|
|
Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Физико-химические основы материаловедения
Понятие масштабности объектов физической химии. Макроскопический, мезоскопический, микроскопический и наноскопический масштабы. Типы термодинамических систем: изолированная система, адиабатическая изолированная система, закрытая система, открытая система. Равновесная термодинамика, классическая статистическая физика, квантовая химия. Определение понятия «фаза», «фазовое превращение», «межфазная граница». Химическая кинетика, уравнения гетерогенной химической кинетики. Диффузия, уравнения диффузии.
Раздел 2. Физика поверхности, методы исследования
Физико-химические свойства различных типов поверхности: «твердое тело» - «газ (вакуум)», «твердое тело» - «твердое тело», «твердое тело» - «жидкость», «жидкость»-«газ (вакуум)». Атомарно чистая поверхность. Электронная эмиссия атомарно чистой поверхности. Эффект Шоттки, туннельный эффект, фотоэффект. Электронная эмиссия с предварительным возбуждением, без предварительного возбуждения, электронная эмиссия смешанного типа. Термическое испарение и конденсация. Термодинамика испарения, экспериментальные методы Кнудсена и Лэнгмюра, коэффициент конденсации. Кинетика испарения летучего компонента сплава, энергия активации диффузии примеси в двойном сплаве. Физическая адсорбция на атомарно чистой поверхности. Термодинамика физической адсорбции. Температурно-программируемая термодесорбция. Поверхностная диффузия. Электронная эмиссия системы подложка – адсорбат. Химическая адсорбция на атомарно чистой поверхности. Термодинамика и кинетика химической адсорбции. Геттерирование газов, распыляемые и нераспыляемые геттеры. Применение термо-, вторичной-, авто- и фотоэлектронной эмиссии для изучения кристаллической структуры, химического состава и распределения электронов на поверхности. Энергетический анализ эмиттированных электронов. Оже-электронная спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, спектроскопия энергетических потерь энергии электронов, автоэлектронная микроскопия, автоионная микроскопия, туннельная и атомно-силовая микроскопия, метод атомного зонда, вторично-ионная масс-спектрометрия, метод дифракции медленных электронов, метод дифракции быстрых электронов, отражательная электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, эмиссионная микроскопия.
Раздел 3. Магнитные свойства изолированных атомов и атомных частиц
Спин и спиновый магнитный момент электрона. Магнетизм одноэлектронного атома. Магнетизм многоэлектронного атома. Правила Хунда и застройка электронных оболочек атомов. Магнитные моменты атомных ядер. Экспериментальное исследование магнитных моментов атомов и пространственного квантования.
Раздел 4. Магнитные явления в твердых телах
Магнитные свойства твердых тел. Диамагнетики. Парамагнетизм. Парамагнетизм свободных электронов. Электронный парамагнитный резонанс. Получение низких температур методом адиабатического размагничивания парамагнетиков. Магнитомеханический эффект. Ферромагнетики. Антиферромагнетики. Ферримагнетизм. Ферриты. Спиновые волны. Магнитная нейтронография.
Раздел 5. Спиновая электроника
Магнитные полупроводники. Поляризация спинов электронов в полупроводниках. Оптическая ориентация спинов электронов. Ориентация спинов при переносе из ферромагнитных материалов. Спиновая релаксация носителей заряда в полупроводниках. Особенности спиновых взаимодействий в системах пониженной размерности. Двумерные электронные системы (квантовые ямы). Одномерные электронные системы (квантовые проволоки). Нуль-мерные электронные системы (квантовые точки). Возможности практического использования спиновых взаимодействий в твердых телах.
Раздел 6. Методы получения магнитных материалов и исследования их магнитного поведения.
Магнитные материалы. Выращивание объемных монокристаллов. Типы магнитных наноструктур и способы их получения. Классификация магнитных наноструктур. Методы получения магнитных наноструктур. Особенности формирования структуры ионно-плазменных пленок на основе. Механизмы формирования и особенности строения магнитных структур, полученных методом электролитического осаждения. Особенности получения магнитных структур на основе анодных оксидных пленок на поверхности алюминия. Модели перемагничивания однодоменных частиц. Методы исследования процессов перемагничивания. Методы исследования межкристаллитного магнитного взаимодействия. Методы исследования временных магнитных эффектов.
Раздел 7. Межкристаллитное магнитное взаимодействие в магнитных наноструктурах
Межкристаллитное магнитное взаимодействие в тонкопленочных носителях для продольной магнитной записи. Исследование межкристаллитного магнитного взаимодействия в средах для вертикальной магнитной записи. Магнитное взаимодействие в нанокристаллических магнитомягких материалах. Магнитное взаимодействие в нанокомпозитных материалах для постоянных магнитов. Магнитное взаимодействие кристаллитов в нанопроволоках, магнитных «сетках» и «массивах» частиц. Межкристаллитное магнитное взаимодействие в электролитически осажденных пленочных структурах. Влияние термо- и других видов последующей обработки на межкристаллитное магнитное взаимодействие.
Раздел 8. Межкристаллитное магнитное взаимодействие и процессы перемагничивания в магнитных наноструктурах
Угловые зависимости гистерезисных характеристик и анализ процессов перемагничивания в магнитных наноструктурах. Временные магнитные эффекты и процессы перемагничивания. Структурные характеристики, магнитная неоднородность и межкристаллитное магнитное взаимодействие в высококоэрцитивных покрытиях на основе Со. Моделирование магнитного поведения наноструктурированных покрытий.
Раздел 9. Эксплуатационные характеристики магнитных наноструктур.
Межкристаллитное магнитное взаимодействие и гистерезисные характеристики магнитожестких наноструктурированных покрытий на основе металлов группы Fe. Межкристаллитное магнитное взаимодействие и характеристики магнитомягких нанокристаллических материалов. Межкристаллитное магнитное взаимодействие и характеристики записи-считывания средств магнитной записи. Термостабильность сред магнитной записи и элементов магнитной микроэлектроники. Параметры сред вертикальной магнитной записи. Наноструктурированные материалы для постоянных магнитов. Перспективы дальнейшего развития наноструктурированных сред магнитной записи и магнитной микроэлектроники
Лабораторный практикум (не предусмотрен)
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Рекомендуемая литература:
а) основная литература:
1. Летюк Л.М., Балбашов А.М., Крутогин Д.Г. Технология производства материалов магнитоэлектроники: Учеб. для вузов. – М.: Металлургия, 1994. – 416 с.
2. Иевлев В.М., Бугаков А.В., Трофимов В.И. Рост и субструктура конденсированных пленок: Учеб. Пособие. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2000. – 386 с.
3. Боков В.А. Физика магнетиков: Учеб. пособие для вузов. – СПб.: Невский диалект, 2002. – 272 с.
4. Кравченко А.Ф. Магнитная электроника. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 2002. – 400 с.
5. Кекало И.Б., Самарин Б.А. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами. - М.: Металлургия.- 1989.- 496 с.
6. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Твердотельная электроника: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ имени Н.Э.Баумана, 2003. – 480 с.
7. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике./ Отв. редактор А.Л. Асеев. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004. – 368 с.
8. Валиев К.А., Кокин А.А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. – Москва – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004, 320 с.
9. Гречихин Л.И. Физика наночастиц и нанотехнологий. Общие основы, механические, тепловые и эмиссионные свойства. Минск: УП «Технопринт», 2004.– 399 с.
10. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 416 с.
11. Суздалев И.П. Нанотехнология: физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с.
12. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности. – М.: Наука, 2006. – 490 с.
б) справочная литература
1. Фоменко В.С., Подчерняева И.А. Эмиссионные и адсорбционные свойства веществ и материалов. Спр./Под ред. Г.В.Самсонова. - М.: Атомиздат, 1975. – 320 с.
2. Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов. Спр. - Киев, Наук. Думка. 1981. – 340 с.
3. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справ. изд / Зиновьев В.Е. – М.: Металлургия, 1989. – 384 с.
5. Прецизионные сплавы. Спр. под ред. Молотилова Б.В. - М.: Металлургия. 1983. - 440 с.
в) дополнительная литература:
1. Моррисон С. Химическая физика поверхности твердого тела: Пер. с англ./Под ред. Ф.Ф.Волькенштейна. - М.: Мир, 1980. – 488 с.
2. Мюллер Э.В., Цонг Т.Т. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение. Пер. с англ./ Под ред. В.Н.Шредника. М.: Наука, 1980. – 224 с.
3. Робертс М., Макки Ч. Химия поверхности металл-газ: Пер. с англ./ Под ред. В.М.Грязнова. - М.: Мир, 1981. – 540 с.
4. Губин С.П. Химия кластеров. Основы классификации и строения. – М.: Наука, 1987. – 263 с.
5. Анализ поверхности методами Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии: Пер с англ. / Под ред. Д.Бриггса, М.П.Сиха. – М.: Мир, 1987. – 600 с.
6. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 564 с.
7. Зенгуил Э. Физика поверхности: Пер. с англ./ Под ред. В.Ф.Киселева. – М.: Мир, 1990. – 536 с.
8. Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия: Пер. с англ./ Под ред. Г.Н.Фурсея. - М.: Наука, 1990. – 320 с.
9. Зырянов Г.К. Эмиссия поляризованных электронов: Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1991. - 272 с.
10. Грибов Л.А., Муштакова С.П. Квантовая химия: Учебник. – М.: Гардарики, 1999. – 390 с.
Средства обеспечения дисциплины
Учебный видеофильм «Атомные ступени на поверхности кремния» производства Института физики полупроводников СО РАН, Новосибирск.
Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Учебная лаборатория кафедры материаловедения электронной техники:
- демонстрационный стенд «Времяпролетная масс-спектрометрия»
- демонстрационный стенд «Термогравиметр для определения изменения массы»
- демонстрационный стенд «Термогравиметр для измерения магнитомеханической силы»
- демонстрационный стенд «Оже-электронная спектроскопия»
- демонстрационный стенд «Туннельная и атомно-силовая микроскопия»
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 210600 «Нанотехнология» по специальности 210602. 65«Наноматериалы».
|
