Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе     

 

                                   (А.В. Речинский)

   «____» _______________ 2012 г.      

 М.П.                  

 

ОТЧЕТ

 

по мероприятию № 2.9.1.2.
Разработка учебно-методического обеспечения основной образовательной программы подготовки  магистров

«Материаловедение наноматериалов и элементов электронной техники» по направлению 152100 «Наноматериалы»

в рамках реализации Программы развития национального исследовательского университета

 

вид отчета: аннотационный

 

 

Ответственный исполнитель:________________ (Александров С.Е.)

 

 

 

г. Санкт-Петербург

2012 г.


 

1. Цели мероприятия

 

Целью мероприятия является разработка учебно-методического обеспечения основной образовательной программы подготовки  магистров по направлению 152100 «Наноматериалы», профиль «Материаловедение наноматериалов и элементов электронной техники». Разработка мероприятия позволит начать в СПбГПУ подготовку высококвалифицированных выпускников в области технологии наноматериалов и элементов микроэлектронной техники, обладающих следующими компетенциями:

общекультурными компетенциями (ОК):

способностью совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень и профессионализм, устранять пробелы в знаниях и обучаться на протяжении всей жизни (ОК-1);

владением навыками развития научного знания и приобретения нового знания путем исследований, оценки, интерпретации и интегрирования знаний, проведения критического анализа новых идей (ОК-2);

способностью свободно пользоваться русским и иностранным языками, как средством делового общения, базовой и специальной лексикой и основной терминологией по направлению подготовки, владением навыками в устной и письменной коммуникации, презентации планов и результатов собственной и командной деятельности, изложении проблем и решений, четких и ясных выводов с аргументированным изложением лежащих в их основе знаний и соображений любой аудитории (ОК-3);

использованием на практике умений и навыков в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом, работе в междисциплинарной команде (ОК-4);

способностью проявлять инициативу, в том числе в ситуациях риска, брать на себя всю полноту ответственности (ОК-5);

способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-6);

способностью к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы) и формулированию новых исследовательских задач на основе возникающих проблем (ОК-7);

владением навыками формирования и аргументации собственных суждений и научной позиции на основе полученных данных, умением анализировать и делать выводы по социальным, этическим, научным и техническим проблемам, возникающим в профессиональной деятельности, с учетом экологических последствий (ОК-8).

Выпускник также должен обладать следующими профессиональными компетенциями (ПК):

общепрофессиональными:

владением базовыми знаниями теоретических и прикладных наук и использует их в профессиональной деятельности при анализе и моделировании, теоретическом и экспериментальном исследовании наноматериалов и наносистем и процессов их получения (ПК-1);

владением основными положениями и методами социальных, гуманитарных и экономических наук и применяет их при решении профессиональных задач с учетом последствий для общества, экономики и экологии (ПК-2);

использованием на практике интегрированных знаний естественнонаучных, общих профессионально-ориентированных и специальных дисциплин для понимания проблем наноиндустрии, умением выдвигать и применять идеи, вносить оригинальный вклад в науку о наноматериалах и нанотехнологию (ПК-3);

способностью к самостоятельному обучению новым методам исследования, к работе в различных направлениях и изменению профиля работы в области наноиндустрии (ПК-4).

в области научно-исследовательской и расчетно-аналитической деятельности:

владением умением и навыками самостоятельного использования современных информационно-коммуникационных технологий, глобальных информационных ресурсов в научно-исследовательской и расчетно-аналитической деятельности в области наноматериалов, наносистем и нанотехнологий, (ПК-5);

умением использовать методы моделирования, оптимизации, стандартизации и сертификации для оценки и прогнозирования свойств наноматериалов и наноситем, а также изделий на их основе, и эффективности технологических процессов (ПК-6);

пониманием и самостоятельным использованием фундаментальных знаний математики, физики, химии и биологии, принципы и методики исследований, испытаний и диагностики наноматериалов и наносистем для создания инновационных технологий и управления их качеством для различных областей наноиндустрии;

наличием навыков комплексного подхода к исследованию наноматериалов и нанотехноогий, включая стандартные и сертификационные испытания наноматериалов, изделий и процессов (ПК-7);

способностью самостоятельно использовать современные представления наук о материалах для анализа влияния размерного фактора на механические, физический, химические и биологический свойства материалов, влияние наноматериалов на человека и окружающую среду (ПК-8);

наличием навыков самостоятельного сбора данных, изучения, анализа и обобщения научно-технической информации по тематике исследования, разработки и использования технической документации, основных нормативных документов по вопросам интеллектуальной собственности, подготовки документов к патентованию, оформлению ноу-хау на основе знаний основных положений в области интеллектуальной собственности, патентного законодательства и авторского права Российской Федерации (ПК-9);

в области производственной и проектно-технологической деятельности:

углубленным знанием основных типов наноматериалов и наносистем, владением навыками самостоятельного выбора наноматериалов для заданных условий эксплуатации с учетом требований надежности и долговечности, экономичности и экологических последствий их применения (ПК-10);

способностью использовать технологические процессы и операции, с учетом их назначения и способов реализации, нормативные и методические материалы по технологической подготовке производства, качеству, стандартизации и сертификации изделий и процессов (ПК-11);

владением навыками самостоятельного использования технических средств для измерения и контроля основных параметров технологических процессов, структуры и свойств наноматериалов и наноситем, изделий на их основе, а также планирования и реализации исследований и разработок (ПК-12);

наличием навыков самостоятельной разработки методов и средств автоматизации процессов производства, выбора оборудования, методов и приемов организации труда, обеспечивающих эффективное, технически и экологически безопасное производство (ПК-13);

способностью к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов в области наноиндустрии (ПК-14)

владением навыками самостоятельного проектирования технологического процесса производства наноматериалов, изделий на их основе с использованием современных наборов прикладных программ и компьютерной графики, сетевых технологий и баз данных (ПК-15);

в области организационно-управленческой деятельности:

знанием и умением использовать основные категории и понятия общего и производственного менеджмента в профессиональной деятельности, владеет навыками анализа технологического процесса как объекта управления, проведения стоимостной оценки основных производственных ресурсов, обобщения и анализа информации по использованию ресурсов предприятия (ПК-16);

владением основами системы управления качеством продукции и готовность к внедрению этой системы (ПК-17);

владением основами менеджмента высокотехнологичного инновационного бизнеса, в том числе малого, готовность применения знаний, умений и навыков в профессиональной деятельности в области наноиндустрии (ПК-18);

наличием навыков разработки оперативных планов работы первичных производственных подразделений, управления технологическими процессами, оценки рисков и определения мер по обеспечению экологической и технической безопасности разрабатываемых материалов, техники и технологий, умением выбирать наиболее рациональные способы защиты и порядка в действиях малого коллектива в чрезвычайных ситуациях (ПК-19);

владением навыками организационно-управленческой работы с малым коллективом и принятия решений (ПК-20).

 

2. Задачи мероприятия (особо отмечать актуальность)


Современное развитие российской промышленности невозможно без освоения новых типов материалов и технологий, к числу которых относятся наноматериалы.  Наноматериалы обладают специфическими свойствами, принципиально не достижимыми в ряде случаев у материалов с микро- и макроструктурой. Актуальность разработки новых типов наноматериалов, подтверждается принятием во всех развитых странах государственных программ развития нанотехнологий, в которых разработка функциональных и конструкционных материалов отнесена к числу наиболее приоритетных направлений технологического развития. Ожидается, что К 2015 году объем производства российской продукции на основе использования нанотехнологий составит 20 млрд евро.

Одной из проблем, которую необходимо решить в России для инновационного развития в области наноматериалов и нанотехнологий, является дефицит кадров, подготовленных специально для работы в данной области техники. Технологическая новизна этой отрасли диктует два кадровых требования. Во-первых, значительно большая доля кадров высокой квалификации по отношению к обычным – добывающим и даже обрабатывающим отраслям промышленности. Во-вторых, в большинстве случаев их нужно заново готовить. Система будет включать в себя и высшее образование, и послевузовские программы, разработанные и апробированные с нашим участием. По оценке ОАО Роснано до 60-70% занятых в наноиндустрии в 2015 году должны как минимум пройти программы переподготовки и повышения квалификации, а как максимум – получить специальное образование. 

 

Разработанная магистерская программа будет способствовать решению задачи подготовки кадров для наноиндустрии в Санкт-Петербурге и других городах России. Основные потребители специалистов данного профиля в Санкт-Петербурге – предприятия военно-промышленного комплекса – ОАО Светлана, ОАО Авангард, ОАО Домен, ФГУП ГОИ им. С.И. Вавилова и т.п. Кроме того, в задачу входит подготовка специалистов данного направления, готовых к работе на малых предприятиях инновационного типа, а также к организации собственного бизнеса в области наноматериалов и нанотехнологий.  В настоящее время магистры по направлению 152100 «Наноматериалы» в Санкт-Петербурге не выпускаются, что объясняется утверждением соответствующего федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 152100 Наноматериалы (квалификация (степень) «магистр») лишь в 2012 г. Недавнее появление нового направления обусловливает отсутствие методических материалов для учебно-методического обеспечения образовательной программы подготовки магистров по данному направлению. Отсутствуют варианты учебного плана со списком дисциплин и  распределением часов для аудиторных занятий, самостоятельной работы студентов и научно-исследовательской работы.

 

Поэтому конкретные задачи работы по данному мероприятию включают в себя:

  • Разработку учебного плана, включая требования к квалификационной работе, порядок прохождения практики и самостоятельной работе студентов.
  • Разработку учебно-методических комплексов рабочих дисциплин, обеспечивающих студенту возможность самостоятельного выбора специальных дисциплин.
  • Подготовку и издание учебных пособий по основным специальным дисциплинам.

 

3. Описание работ по мероприятию:

 

Для выполнения поставленной цели было выполнено следующее

  1. Разработана ООП, отражающая современное состояние науки о наноматериалах, включая новые методы получения наноматериалов, методы диагностик и их свойств и области применения. Для этого определен список дисциплин, отражающих  современное состояние разработки и применения наноматериалов.  Особое внимание было уделено самостоятельной работе студентов с использованием доступных информационных ресурсов Фундаментальной библиотеки СПбГПУ, включая электронные ресурсы библиотеки, ресурсы Российского фонда фундаментальных исследований по нанотехнологиям (ресурсы e-library) и других информационных ресурсов Интернета. Предусмотрено, что современные способы работы студента по поиску и анализу научно-технической информации необходимо сочетать с представлением и обсуждением результатов поиска и анализа в виде презентаций и курсовых работ по соответствующим специальным дисциплинам. Основной формой занятий студентов предусмотрены практические и самостоятельные работы студентов, нацеленные на лучшие примеры технологических достижений в области нанотехнологий ведущих компаний. Научно-исследовательскую работу студенты должны проводить в научных лабораториях кафедры физической химии, микро и нанотехнологий, а также в профильных учреждениях (Физико-технический институт РАН, Институт химии силикатов РАН) и предприятиях (ОАО Светлана, ЦНИИ Материалов, ОАО Авангард и др.). Результатом научно-исследовательской работы должна быть магистерская диссертация, квалификационные требования к которой и процедура ее подготовки, защиты и оценки разработаны в ходе выполнения настоящего мероприятия.
  2. При разработке образовательной программы использовался опыт подготовки магистров в ведущих университетах Европы, в которых магистерские программы существуют не менее 2-х лет – Датского технического университета (http://www.dtu.dk/english.aspx), Технического университета Эйндховена (http://www.tue.nl/en/education/tue-graduate-school/masters-programs/nano-engineering/course-structure/), Университета в Ульме (http://www.uni-ulm.de/nawi/advmat.html).  
  3. Содержание программ  и специфику подготовки магистров обсуждали, в первую очередь, с заинтересованными организациями – возможными работодателями выпускников. Были проведены также встречи с преподавателями университетов, в которых имеются кафедры, готовящие специалистов в смежных областях материаловедения для электронной и оборонной промышленности – Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт- Петербургского электротехнического университета и Санкт-Петербургского технологического института (технического университета).
  4. По окончании мероприятия и утверждения его результатов разработанные материалы – учебный план, программы дисциплин, учебные пособия будут размещены в открытом доступе на сайте СПбГПУ (www.sppbstu.ru ), сайте Фундаментальной библиотеки (http://www.unilib.neva.ru/rus/lib/index.php?option=com_content&view=article&id=118&Itemid=9&lang=ru ), сайте кафедры физической химии, микро и нанотехнологий (http://mnt.ftim.spbstu.ru/ ).
  5. Подготовка магистров по направлению 152100 «Наноматериалы» осуществляется в помещениях кафедры общей площадью 716 м2. Лекционные, практические занятия, лабораторные работы проводятся на собственных площадях, в аудиториях и лабораториях кафедры. Лекционные и практические занятия проводятся с использованием мультимедийной техники. Примеры аудитория приведены на рис. 1 и 2.

 Учебная аудитория кафедры № 28 для проведения лекционных и практических занятий

Рис. 1. Учебная аудитория кафедры № 28 для проведения лекционных и практических занятий

Учебная аудитория кафедры № 65 для проведения лекционных и практических занятий 

Рис. 2. Учебная аудитория кафедры № 65 для проведения лекционных и практических занятий

 

В рамках программы «Инновационный ВУЗ» приобретено современное оборудование для исследования свойств материалов. В том числе:

 

  1. Многофукциональный комплекс Нанофаб-25. Представлет собой комплект вакуумных камер, соединенных между собой шлюзовой системой для переноса образцов между отдельными блоками комплекса. Блоки позволяют проводить следующие нанотехнологические операции: плазмохимическое нанесение нанослоев (рис. 3), плазмохимическое и ионное травление нанослоев (рис. 4), фото и рентгеноэлектронно спектроскопическое исследование состава и структуры нанослоев, наночастиц и наноматериалов (рис. 5).

 Блок плазмохимического нанесения нанослоев в комплексе Нанофаб-25

Рис. 3. Блок плазмохимического нанесения нанослоев в комплексе Нанофаб-25

Блок плазмохимического и ионного травления нанослоев и поверхностей 

Рис. 4. Блок плазмохимического и ионного травления нанослоев и поверхностей.

Рентгеноэлектронный спектрометр для исследования состава и структуры наночастиц, нанослоев и наноматериалов 

Рис. 5. Рентгеноэлектронный спектрометр для исследования состава и структуры наночастиц, нанослоев и наноматериалов

 

2. Сканирующие силовые микроскопы в т.ч. для работы в сверхвысоком вакууме (рис. 6 и 7);

 Сканирующий силовой микроскоп для исследования наноструктур

Рис. 6. Сканирующий силовой микроскоп для исследования наноструктур

Сканирующий силовой микроскоп для исследования наноструктур в высоком вакууме 

Рис. 7. Сканирующий силовой микроскоп для исследования наноструктур в высоком вакууме.

 

3. комплекс растровых электронных микроскопов с различным разрешением, в том числе с возможностью локального рентгеноспектрального анализа (рис. 8 и 9);

 электронный микроскоп Цейсс Супра

Рис. 8. Сканирующий электронный микроскоп Цейсс Супра с анализатором обратно рассеянных электронов для определения химического состава поверхности с высоким пространственным разрешением

Сканирующий электронный микроскоп 

Рис. 9. Сканирующий электронный микроскоп для исследования микро и наноструктур

 

4. рентгеноспектральный анализатор для определения химического состава твердых тел и нанопокрытий, работающий без вакуумирования  образца;
5. лазерные эллипсометры для определения толщин и оптических постоянных нанопокрытий (рис. 10);

Лазерный эллипсометр  

Рис. 10. Лазерный эллипсометр для определения толщин и оптических констант нанопокрытий

 

6. Установки для синтеза наночастиц и покрытий методом химического осаждения из газовой фазы Примеры установок приведены на рис. 11 – 13. Установки позволяют проводить как осаждение слоев и получение нанопорошков методом термоактивируемого осаждения из газовой фазы, так и активированного плазмой при пониженном или атмосферном давлении  химическом осаждении из газовой фазу. Установки позволяют получать нанопокрытия и нанопорошки различных составов – оксиды, нитриды, металлы, углеродные нанотрубки, полимеры и т.п. Процесс, протекающий при активации плазмой  химического осаждения из пара, иллюстрируется рисунком 14;

 Установка для синтеза оксидных нанопокрытий методом химического осаждения из газовой фазы

Рис. 11. Установка для синтеза оксидных нанопокрытий методом химического осаждения из газовой фазы

 

 

Рис. 12. Установка для химического осаждения полимерных нанопокрытий методом химического осаждения из газовой фазы.

 

 
Установка для синтеза нанодисперсных порошков

 

 

 Рис. 13. Установка для синтеза нанодисперсных порошков, позволяющая проводить исследования процессов, протекающих в плазме емкостного атмосферного ВЧ-разряда в гелии с примесью органического реагента на частоте 13,56 МГц. Схематическое  изображение реактора в разрезе и его  фотография. 1-корпу; 2-ВЧ электроды;3-выводы зондов; 4-газопровод; 5-ввод газа; 6-вывод газа; 7-смотровое окно; 8-световоды; 9-система     позиционирования;10-коллектор

 

 

Рис. 14. Схематическое изображение  установки. 1 – высоковольтный электрод, 2 – заземленный электрод, 3 – вариометр, 4 – коллектор, 5 – зона реакции, 6 – оптоволоконный световод. Фотографии разрядной плазмы при получении нанопорошков методом активированного плазмой химического осаждения из газовой фазы наночастиц диоксида титана  в двух температурных режимах работы установки, изображенной на рис 13.

 

Кроме того на кафедре имеется оборудование для выполнения студентами лабораторных и научно-исследовательских работ. К числу такого оборудования относятся муфельные печи и сушильные шкафы различного назначения для синтеза наноматериалов, их термообработки и создания на их основе композитных материалов. Для исследования процессов роста нанослоев применяются установки вакуумного и химического осаждения из газовой фазы. Две таких установки, используемых при проведении спецпрактикумов, показаны на рис. 14. Для исследования структуры и свойств наноматериалов применяется ИК-спектрофотометр. Учебные лаборатории позволяют студентам изучать основные операции в технологии электронной техники, такие как фотолитография, травление полупроводников и диэлектриков, операции металлизации и окисления.

 

Рис. 15. Установки для исследования механизмов роста нанослоев в студенческом спецпрактикуме.

 

Таким образом, имеющееся на кафедре уникальное оборудование позволяет проводить полноценную подготовку студентов по направлению «Наноматериалы».

В настоящее время с использованием этого оборудования проводятся работы по синтезу нанослоев и нанопорошков различного состава методами химического осаждения из газовой фазы. Например, в работе V.S. Protopopova, S.E. Alexandrov. Kinetic regularities of the chemical vapor deposition of nickel layers from bis-(ethylcyclopentadienyl) nickel. Russian Journal of Applied Chemistry, 2012. Vol. 85, N 5, p. 742-746 с использованием данного обрудования были получены пленки никеля химическим осаждением из газовой фазы при использовании бис-циклопентадиенила никеля в качестве прекурсора. Были определены закономерности осаждения пленок морфология и химический состав пленок. Было показано, что лимитирующей стадией осаждения является поверхностная химическая реакция с энергией активации 115 кДж/моль.

 

В работе, выполненной с участием студентов М.Ю. Алемаскина и М.Е. Сазонова - А. А. Жилин, Д. К. Таганцев, М. П. Шепилов, С. С. Запалова, М. Ю. Алемаскин, М. Е. Сазонов. Метаматериалы с сетчатой структурой. Оптический журнал. 2012, № 4, с. 62-68, были реализованы “мономолекулярные” слои метаматериалов этого типа с отрицательным показателем преломления в инфракрасной и видимой областях спектра. Для объемного метаматериала с сетчатой структурой отрицательный показатель преломления в области длин волн 1,54–1,775 мкм был показан непосредственно на основе закона Снеллиуса.

Применение метода рентгеновской электронной спектроскопии для анализа структурно-химических процессов, протекающих при синтезе нанокристаллических оксидов позволяет получать существенно новые результаты, в том  числе при выполнении научно-исследователькой работы студентов. Например, в дипломной работе студентки Д.В. Мамоновой, результаты которой опубликованы в статье Д.В. Мамонова, М.Д. Михайлов, К.Г. Севастьянова, А.В. Семенча, А.С. Тверьянович, А.Л. Шахмин. Синтез нанокристаллических порошков алюмоиттриевого граната, легированного неодимом. Российские Нанотехнологии. 2011. Т. 6. № 7– 8. С.  70 – 73, метод анализа был применен для исследования процесса образования наночастиц алюмоиттриевого граната при термическом разложении металл-полимерного геля. Пример ренгеноэлектронного спектра нанокристаллических порошков, взятого из данной статьи, приведен на рис. 16. Проведенное исследование позволило сделать вывод, что рост кристаллов происходит непосредственно из геля без образования промежуточных фаз.

 

Рис .16. Пример применения рентгеноэлектронной спектроскопии для анализа механизма роста нанокристаллического алюмоиттриевого граната.

 

Благодаря наличию на кафедре современных сканирующих электронных микроскопов студенты выполняют курсовые и дипломные работы по синтезу наноматериалов, применяя электронную микроскопию как метод контроля и анализа размеров наночастиц. Например, в научно-исследовательской работе студентки 5 курса Е.В. Гольевой, (научн. руковод. – проф. М.Д. Михайлов) «Синтез наноразмерных частиц вольфрамата иттрия в солевых расплавах», представленной на Неделе науки СПбГПУ в 2012 году, было проведено исследование процесса синтеза люминесцентных наночастиц вольфрамата иттрия и ванадата иттрия, легированных европием. Примеры электронно-микроскопических снимков порошков приведены на рис. 17.

 

 Наночастицы вольфрамата иттрия (вверху) и ванадата иттрия (внизу)

 

Рис. 17. Наночастицы вольфрамата иттрия (вверху) и ванадата иттрия (внизу)

 

Таким образом, имеющееся на кафедре уникальное оборудование позволяет проводить обучение студентов современным методам синтеза и исследования наноматериалов.

 

  • Кафедра физической химии, микро и нанотехнологий сотрудничает с учреждениями Российской Академии наук, с предприятиями электронной и оборонной промышленности. Это позволяет кафедре направлять студентов на производственно-ознакомительную практику на эти учреждения и, тем самым, знакомить студентов с современными лабораториями и производствами. Международные контакты кафедры способствуют востребованности студентов не только отечественными, но и зарубежными компаниями.
  • В проведенных мероприятиях активное участие принимали сотрудники кафедры. Варианты учебного  плана обсуждались с преподавателями СПбГПУ и со студентами кафедры. С потенциальными работодателями магистров широко обсуждался перечень знаний, которые должен иметь выпускник магистратуры для быстрой адаптации его на производстве Все предложения быди учтены в разработанной ООП.

 

 

4. Результаты (необходимо отразить не только качественные, но и количественные характеристики)


В ходе работы по мероприятию выполнены и разработаны:



1. Описание общих положений ООП подготовки магистров. Они включают в себя актуальность развития образования в области наноматериалов как технологического фундамента инновационной наукоемкой экономики. Основой ООП являются фундаментальная подготовка  по математике, физике, биологии и химии, математическому моделированию, хранению, обработке и поиску информации. СПбГПУ как Национальный исследовательский университет в наилучшей степени готов к подготовке кадров по данному направлению благодаря тому, что он является одним из ведущих вузов страны по подготовке инженерных и научных кадров в области металлургии и материаловедения; производства и обработки металлов, композиционных, порошковых, сверхпроводящих и полупроводниковых материалов и функциональных покрытий; разработки перспективных материалов и технологий; ресурсосбережения и экологии; сертификации материалов и процессов. В программе сделан основной акцент на практическую реализацию исследования наноматериалов, активную самостоятельную работы студентов, активное вовлечение студентов в НИР, проводимые на кафедре. Учебный план включает в себя обязательные курсы и курсы по выбору, которые согласуются с темами магистерских диссертаций и способствуют подготовке студента к выполнению диссертационной работы как первого  в его жизни самостоятельного исследовательского проекта. 
2. Аннотация магистерской программы. В ней сформулирована цель создания  в СПбГПУ магистерской программы данного направления - подготовка квалифицированных выпускников в области технологии наноматериалов и элементов микроэлектронной техники. Определны требования к квалификации студентов, поступающих на данное направление и получивших квалификацию «бакалавр» по смежным направлениям  150600 «Материаловедение и технология новых материалов», 010700 «Физика», 020100 «Химия», а также имеющих высшее профессиональное образование иного профиля. Приведены НИР и ОКР, выполненные кафедрой за предыдущие 5 лет,  большинство из которых посвящено разработке и исследованию нанослоев, наночастиц и наноматериалов, а также технологии их производства. Среди них


- Исследование физико-химических закономерностей процессов химического осаждения из газовой фазы пленок различных неорганических материалов.
- Исследование и разработка плазмохимических процессов получения пленок диэлектрических материалов в установках с удаленной плазмой.
- Исследование и разработка плазмохимических процессов синтеза наночастиц и поверхностной обработки, основанных на применении низкотемпературной плазмы, создаваемой с помощью электрических разрядов в газах при атмосферном давлении.
 - Исследование закономерностей процессов плазмохимического синтеза углеродных нанотрубок.
- Разработка конструкции и изготовление промышленного образца оборудования для выращивания ориентированных углеродных нанотрубок.
-  Исследование и разработка процессов осаждения из газовой фазы пленок металлических катализаторов на изделия сложной формы и пористые носители.
- Конструирование и изготовление изделий микросистемной техники.
-  Исследование фундаментальных закономерностей процессов зарождения тонких пленок на различных подложках с помощью нанотехнологического комплекса «Нанофаб 25».
- Исследование и разработка новых неорганических люминофоров для источников света.

 

Дана характеристика профессорско-преподавательского состава, который будет привлечен к подготовке магистров. Среди преодавателей 5 профессоров – докторов наук и 5 доцентов – кандидатом наук.

Приведен список учебных дисциплин и их объем в академических часах и зачетных единицах. Дано краткое содержание разделов для каждой из учебных дисциплин (см. ниже). Сформулированы требования к уровню подготовки магистра как совокупности навыков, достаточных для самостоятельного выполнения научно-исследовательской и научно-педагогической деятельности.

 

В качестве возможных мест прохождения практики определены научно-исследовательские лаборатории ФТИМ, Физико-Технический институт РАН, ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», ОАО «Светлана», ЗАО «Радар-ММС»,  ФГУП ´Электрон».

Дана общая характеристика помещений площадью 716 м2 и находящегося в них оборудования. Изложен порядок завершения обучения и выполнения квалификационной работы - магистерской диссертации.

 

Требования к квалификационной работе (диссертации) и процедура ее защиты изложены в соответствующем документе.

 

3. Учебный план подготовки магистров подготовлен и введен в соответствии с процедурой, принятой в СПбГПУ, в базу данных учебных планов (ФТИМ_ФХМИНТ_152100-ТМИИМЭТ от 14.09.2012)
4. Выписка решения Ученого Совета факультета об утверждении проекта учебного плана по направлению 152100 «Наноматериалы».
5. Таблица соответствия компетенций выпускника и дисциплин учебного плана. Матрица соответствия компетенций, составных частей ООП и оценочных средств.
6. Рабочие программы дисциплин (модулей), включая контрольно-измерительные материалы
7. Методические рекомендации по применению образовательных технологий, методик обучения, оценочных средств приведены в рабочих программах каждой из дисциплин.
8. Программа производственной практики дана в виде отдельного документа.
9. Перечень новых учебных дисциплин и их краткая характеристика. Для подготовки магистров были разработаны следующие новые учебные дисциплины:

 

История развития науки о наноматериалах и нанотехнологии. Периодический закон и его создатель Дмитрий Иванович Менделеев. Открытие новых элементов. Великий русский металлург Дмитрий Константинович Чернов и его труды. Физико-химический анализ и его создатели – Николай Семенович Курнаков и Густав Тамман. Металлы и сплавы. Неорганические стекла и их создатели. Керамические и стеклокерамические материалы. История открытия жидких кристаллов. Олег Владимирович Лосев – пионер полупроводниковой электроники. Полупроводниковая школа Абрама Федоровича Иоффе. Нина Александровна Горюнова – создатель нового класса полупроводниковых соединений – алмазоподобных полупроводников. Стеклообразные полупроводники. Наноматериалы.

 

Современное состояние и перспективы развития науки о наноматериалах и нанотехнологии

Цели  и задачи науки о материалах и нанотехнологии. Нанотехнологические центры и перспективы их развития. Методы получения компактных наноматериалов. Перспективы применения наноматериалов различного назначения: термоэлектрических, сегнетоэлектрических, магнитных, лазерных, нелинейно-оптических, люминесцентных и т.п. Области применения наноматериалов и технические требования к ним. Нанотехнологии в электронике. Развитие нанолитографии и требования к технологическим процессам. Микроэлектромеханические системы и технологии приборов на  их основе. Области применения микроэлектромеханических устройств и  перспективы их развития. Нанокомпозитные материалы на основе полимеров. Керамические материалы и нанокомпозиты. Сверхтвердые композиционные нанопокрытия.

 

Физика и химия поверхности

Основы термодинамики, химической кинетики и статистической физики (краткий обзор). Физические процессы на фазовой границе. Химические процессы с участием и на поверхности раздела фаз: Специфика кинетики химических процессов на поверхности раздела фаз. Термодинамическое описание фазовых границ. Два подхода к описанию фазовой границы: поверхность разрыва (по Гиббсу) или поверхностный слой конечной толщины как самостоятельная фаза. Поверхностная энергия, поверхностное натяжение и их зависимость от температуры и давления. Термодинамическое равновесие в гетерогенных системах. Правило фаз для систем с развитой поверхностью. Поверхностные явления в однокомпонентных двухфазных системах. Давление пара над искривленной поверхностью - уравнение Лапласа. Капиллярное поднятие, переконденсация, поверхностная ориентация. Поверхностные явления в многокомпонентных двух- и трехфазных системах. Граница раздела жидкость-жидкость, жидкость-твердое, жидкость-газ, др. Поверхностная энергия твердых тел. Равновесие на границе трех фаз, смачивание, угол смачивания, уравнение Юнга. Адгезия. Работа адгезии. Уравнение состояния поверхностного слоя, поверхностное давление. Явления переноса на поверхности фазы. Поверхностная диффузия. Законы диффузии – первый и второй законы Фика для двумерного случая. Межфазная вязкость. Поверхностная проводимость.

 

Физико-химические основы процессов получения наночастиц и наноматериалов

Классификация и свойства коллоидных систем. Поверхностные явления. Агломерация и спекание. Методы обеспечения стабильности наносостояния.  Классификация методов получения наноматериалов. Синтез наночастиц методом обратных мицелл. Измельчение и механохимия. Окислительно-восстановительные процессы при получении наночастиц металлов. Электрохимическое восстановление металлов. Получение наночастиц конденсацией паров металлов из газовой фазы. Получение компактных металлов и сплавов в нанокристаллическом состоянии. Углеродные наноматериалы. Диаграмма состояния углерода. Углеродные нанотрубки. Наноалмазы. Методы нанолитографии. EUV-литография.  Рентгеновская литография. Электронолитография и ионолитография. Механическая (импринт) литография. Нанокомпозиционные материалы. Классификация нанокомпозитов. Нанокомпозитные материалы на основе полимеров. Керамические материалы и нанокомпозиты. Новейшие достижения в области использования нанотехнологий для создания новых материалов, приборов и наноустройств.

 

Физические, химические и биологические свойства наноматериалов и наносистем

Химические связи в наномасштабных материалах. Особенности наноструктур Зерна, слои, включения и поры в консолидированных материалах. Дефекты, поверхности раздела, пограничные сегрегации. Строение полимерных, углеродных и биологических наноматериалов. Свойства индивидуальных наночастиц. Металлические нанокластеры. Полупроводниковые наночастицы. Кластеры атомов инертных газов и молекулярные кластеры. Углеродные наноструктуры. Природа углеродной связи. Структура и свойства фуллеренов. Структура и свойства углеродных нанотрубок. Графен. Объемные наноструктуированные материалы. Разупорядоченные твердотельные наноструктуры. Наноструктуированные кристаллы. Квантовые наноструктуры. Квантовые ямы, проволоки и точки. Размерные эффекты. Электронные, физические и химические свойства квантовых структур. Экситоны. Одноэлектронное туннелирование. Ферромагнетизм в наноструктурах. Влияние наноструктуирования объемного материала на магнитные свойства. Магнитные частицы в нанопорах. Углеродные ферромагнетики. Ферромагнитные жидкости. Нанобиотехнология. Биологические строительные блоки. Нуклеиновые кислоты. Примеры белков. Мицеллы и везикулы. Основы конструирования моторов, триггеров. Биоэлектроника. Биосенсоры. Фотобиология. Молекулярные моторы.

 

Компьютерные и информационные технологии в наноиндустрии

Понятие и классификация компьютерных и информационных технологий. Коммуникационные технологии. Глобальная сеть ИНТЕРНЕТ. Инструментальные средства и технологии программирования, пакеты прикладных программ, компьютерная графика, системы автоматизированного проектирования. Базы данных и знаний. Использование ЭВМ и сетей в научных исследованиях. Мировые и российские информационные ресурсы. Компьютерная литературная проработка, библиотечный и патентный поиск. Дополнительные устройства, подключаемые к компьютеру. Компьютер как средство управления экспериментом. Технологии сбора и обработки текстовых, графических и табличных данных. Гипертекстовые и мультимедийные технологии. Средства Microsoft Office. Средства разработки вэб-приложений. Экспертные системы. Системы электронного перевода. Информационные технологии в нанотехнологии. Базы данных и базы знаний по наноматериалам. Специализированные пакеты прикладных программ.

 

Основы плазмохимии

Отличительные черты плазмохимических процессов. Основы атомной спектроскопии: энергетические уровни и спектр атома водорода, многоэлектронные атомы: электронная конфигурация, атомные термы.  Основы спектроскопии молекул: виды движения в молекуле и типы молекулярных спектров; вращательные и  колебательно-вращательные спектры молекул; аналитические применения инфракрасной спектроскопии; электронные состояния и переходы в молекулах; электронные спектры поглощения многоатомных молекул; энергия диссоциации и продукты распада.  Элементарные процессы в низкотемпературной плазме: распределение частиц по скоростям, упругие и неупругие столкновения, сечение столкновений, диссоциация, ионизация; области существования плазмы. Электрические разряды в газах: тлеющий разряд постоянного тока, плазма высокочастотного разряда, коронный и барьерные разряды. Диагностика плазмы: определение состава плазмы оптической эмиссионной и абсорбционной спектроскопией.  Основы плазмохимических процессов: элементарные процессы и промежуточные частицы в плазменных системах, возбуждение и дезактивация электронных состояний, возникновение химических превращений в плазме.

 

Физика и технология микросистемной техники

Физика полупроводников. Физические свойства важнейших полупроводниковых соединений. Статистика электронов в полупроводниках. Явления переноса в полупроводниках. Физика полупроводниковых приборов. Основы технологии микроэлектроники. Технология изготовления основных компонентов микросистемной техники: резисторов, конденсаторов, проводников, диодов транзисторов. Размерные эффекты в полупроводниковых приборах наноэлектроники. Светоизлучающие полупроводниковые приборы. Основы технологии оптоэлектроники. Микроэлектромеханические системы и  устройства. Физические явления и  процессы в микроэлектромеханических системах. Физические процессы в наноустройствах на основе графена, нанотрубок и квантовых нитей. Технология изготовлении и модификации наноустройств и  перспективы их развития.

 

Процессы на поверхности раздела фаз

Граница раздела фаз – как нанообъект в наносистемах. Кинетика и термодинамика процессов на поверхности жидкофазных и твердофазных систем. Адсорбционно-каталитические свойства наносистем. Физико-химические процессы образования наноструктур на межфазных поверхностях раздела.

Адсорбция. Основные понятия и законы адсорбции. Основы термодинамики адсорбции. Положительная и отрицательная адсорбция, поверхностно-активные вещества (ПАВ). Адсорбция на поверхности твердого тела. Теория мономолекулярной адсорбции Лангмюра. Теория Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ). Пористые твердые тела и механизм заполнения пор. Электроповерхностные явления. Двойной электрический слой. Теории двойного электрического слоя. Электрокапиллярные явления. Электрокинетические явления. Окислительно-восстановительные процессы на поверхности проводящего электрода с участием и без участия материала электрода (электрохимическая реакция), электролиз. Потенциометрия, электродвижущая сила электрохимическая цепь, гальванический элемент. Пленки. Поверхностные пленки из нерастворимых веществ. Типы пленок. Пленки на поверхности жидкости (газообразные и жидкие). Растянутые пленки. Пленки на поверхности твердого тела, ориентированные пленки, смазывающее действие пленок. Получение тонких пленок, эпитаксия.

 

Физические процессы в газовом и вакуумном разрядах

Разряд в газе. Основные понятия и свойства плазмы. Ионизационные процессы в газе. Квазинейтральность, плазменная частота. Дебаевский радиус, дебаевский слой. Идеальность плазмы. Упругое рассеяние. Равновесия в плазме. Неравновесность плазменных систем.  Процессы релаксации в плазме. Процессы переноса в плазме. Диэлектрическая проницаемость плазмы. Несамостоятельный разряд. Пробой. Механизм пробоя. Тлеющий разряд. Темный разряд и роль пространственных зарядов в образовании катодного слоя. Катодный слой. Анодный слой. Стримерный разряд. Возникновение и развитие стримеров. ВЧ-разряд. Способы возбуждения ВЧ разряда. Две формы существования ВЧ разрядов. Пробой вакуумного промежутка. Принцип подобия и нарушение закона Пашена. Эффект Шоттки. Автоэлектронная эмиссия. Взрывная эмиссия электродов. Искровой разряд в вакууме. Качественный механизм искрового разряда. Свойства плазмы катодного факела. Свойства плазмы анодного факела. Механизм самоподдержания разряда в искровой стадии

 

Химия высоких энергий

Общие и отличительные черты процессов химии высоких энергий. Основные понятия химии высоких энергий. Процессы поглощения и передачи энергии.Энергетические состояния атомов. Энергетические состояния молекул. Виды движения в молекуле и типы молекулярных спектров. Электронные состояния и переходы в молекулах. Энергия диссоциации и продукты распада. Основы фотохимических процессов. Основные законы фотохимии. Основные пути дезактивации фотовозбуждённых состояний. Фотосенсибилизация химических превращений резонансным излучением ртути (фото-CVD процессы). Основы плазмохимических процессов. Основные химические превращения в плазме. Основы механохимических процессов. Аморфизация. Химические следствия механической активации. Механизмы ультразвуковой стимуляции химических превращений, акустическая кавитация, сонолюминесценция.     

 

Физикохимия наночастиц и наноматериалов

Принципы термодинамического анализа многокомпонентных гетерогенных систем. Основы теории зародышеобразования. Термодинамика процессов гомогенного зародышеобразования. Термодинамика процессов гетерогенного зародышеобразования. Кинетика процессов зародышеобразования. Основы теории роста идеальных и реальных кристаллов. Зарождение и рост пленок на ориентирующих и неориентирующих подложках. Искусственная эпитаксия. Общие закономерности гетерогенных процессов. Последовательность стадии гетерогенного процесса. Понятие лимитирующей стадии. Диффузионная кинетика. Кинетическая область. Химические процессы на поверхности твердого тела. Миграция частиц по поверхности твердого тела. Поверхностная диффузия. Адсорбционные процессы. Виды адсорбции, ее количественные характеристики. Кинетика процессов получения пленок и монокристаллов, основанных на дистилляции или сублимации и последующей конденсации. Зависимость скорости дистилляции от давления в системе. Молекулярная дистилляция и сублимация. Молекулярная дистилляция многокомпонентного раствора. Кинетические особенности получения монокристаллов и пленок разлагающихся полупроводниковых соединений дистилляцией и сублимацией.

 

Методы и приборы для анализа материалов и электронных компонентов в микро- и наномасштабе

Методы и приборы электронной спектроскопии. Процессы взаимодействия электронного пучка с твердым телом. Основные особенности приборов для исследования потерь энергии (плазмонные, фононные спектры), пороговые методы и приборы. Методы и приборы фотоэлектронной спектроскопии. Фотоэффект при взаимодействии излучения с веществом в различном диапазоне длин волн. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия, оптический диапазон, использование синхротронного излучения. Оже-спектроскопия и оже-спектрометры. Электронная микроскопия. Рентгеновский микроанализ и его применение в электронных микроскопах, Методы ионной спектроскопии. Оптическая спектроскопия. Метод комбинационного рассеяния света особенности приборов для инфракрасного и ультрафиолетового диапазона длин волн. Методы ближнепольной оптической спектроскопии и микроскопии. Атомно-словая и туннельная микроскопия. Модификации атомно-силовой микроскопии для исследования распределения физико-химических свойств по поверхности.

 

Диагностика материалов и изделий электронной техники

Диагностика атомного состава и химического состояния атомов материалов электронной техники. Применение рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии для анализа атомного состава поверхности диагностики химического состояния атомов в приповерхностном слое. Использование Оже-спектроскопии для анализа поверхности. Комплексное применение рентгеновского микроанализа и электронной микроскопии для выявления распределения элементов по поверхности материала. Применение инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния для диагностики химических связей и структур. Применение методов ионной спектрометрии для анализа состава материала. Определение работы выхода материала различными методами. Профильный анализ свойств материалов электронной техники. Особенности ионного распыления материалов при определении профилей концентрации атомов по глубине. Диагностика структурного профиля полупроводниковых компонент методом катодолюминесценции. Диагностика свойств материалов  с помощью зондовых методов. Определение структуры поверхности зондовыми методами. Диагностика распределения физико-химических свойств материала по его поверхности зондовыми методами. Диагностика электронной структуры материалов и компонентов электронной техники. Применение методов электронной и ионной спектроскопии для диагностики электронной структуры. Применение зондовых методов для локального анализа электронной структуры материала. Использование оптических методов (в том числе ближнепольной оптики) для анализа электронной структуры материалов.

 

Термодинамическое моделирование в материаловедении

Теоретические основы термодинамического моделирования. Термодинамические модели фаз в многокомпонентных системах. Основные термодинамические принципы расчета химического равновесия и состава равновесной газовой фазы в простых и сложных системах. Термодинамическое моделирование фазовых и химических равновесий в многокомпонентных системах. Термодинамическое моделирование, основанное на уравнениях для констант равновесия и уравнений материального баланса. Термодинамическое моделирование, основанное на минимизации энергии Гиббса. Программное обеспечение термодинамического моделирования. Моделирование термодинамических свойств веществ. Моделирование термодинамических свойств методами квантовой теории (модель трехмерных гармонических осцилляторов Эйнштейна, модель изотропной среды Дебая). Полуэмпирические модели прогноза стандартной энтальпии образования, стандартной энтропии, энтальпии испарения, давления насыщенного пара.

 

Технологии химического осаждения из газовой фазы

Сущность CVD процессов. Многостадийность процессов химического осаждения слоев из газовой фазы. Техника процессов химического осаждения из газовой фазы. Физико-химические закономерности CVD процессов. Температура осаждения. Скорость газового потока. Положение подложки относительно потока. Роль кристаллографической ориентации. Парциальное давление реагирующих вешеств. Инструментальные методы исследования закономерностей процессов химического осаждения из газовой фазы. Метод трассирования. Оптические методы. Измерение температуры. Спектроскопия комбинационного рассеяния. Интерференционная голография.  Масс-спепктрометрия. Газовая хроматография.

 

Наноструктурированные стеклообразные материалы

Природные стекла, основные исторические сведения об искусственных стеклах и технологии производства стекла. Специфические особенности строения. Структурная и механическая релаксации в стеклах. Природа микронеоднородного строения стекол, «замороженные» флуктуации концентрации и плотности. Ситаллы со сверхнизким коэффициентом термического расширения. Электрооптические и нелинейно-оптические ситаллы, связь между структурой ситалла с диэлектрической кристаллической нанофазой и электрооптическим и нелинейно-оптическим откликом материала. Квантово-размерный эффект и поверхностный плазмонный электронный резонанс, квантовые ямы, проволоки и точки. Стекла с полупроводниковыми и металлическими наночастицами, методы получения и применение стекол с недиэлектрическими наночастицами в современной науке и технике. Двухфазные и пористые стекла, свойства и методы получения стекол с нанопорами. Применение нанопористых стекол. Супертермоизоляторы на основе нанопористых стеклообразных материалов. Получение фазовых и амплитудных оптических субмикронных стеклообразных структур с заданными свойствами (фотошаблонов, фазовых и амплитудных масок, двумерных матрицы микролинз, фазовых и амплитудных дифракционных решеток, фотонных кристаллов, оптических носителей цифровой информации и др.). Метаматериалы и их разновидности. Метаматериалы на основе нанопленочных регулярных сетчатых структур (физические принципы функционирования).

 

Методы получения вакуума и криогенных температур

Свойства вакуума. Теоретические основы процесса откачки газов и паров. Материалы высоковакуумных систем. Техника получения вакуума. Измерение давления Конструкционные элементы вакуумных систем. Архитектура вакуумных систем. Средства течеискания. Промышленные вакуумные системы.

Реальные газы и пар. Испарение жидкости. Эффект Джоуля-Томсона. Обратимое адиабатическое расширение. Магнитное охлаждение. Системы ожижения с использованием процесса дросселирования. Системы ожижения с использованием процесса обратимого адиабатического расширения.

 

Технология создания поверхностных наноструктур в микроэлектронике

Технологии получения эпитаксиальных слоев. Молекулярно-лучевая эпитксия. Методы получения упорядоченных структур. Оптическая литография (фотолитография). Электронолитография. Механическая литография. Резисты для литографии. Технология литографии и ее применения для изготовления компонентов электронной техники. Травление. Жидкостное и газофазное травление полупроводников, диэлектриков и металлов. Механизм травления. Ионное и реактивное ионное травление. Плазмохимическое травление. Применение фокусированных ионных пучков для травления и синтеза наноструктур.

 

10.  В результате выполнения меропрятия были разработаны и сданы в издательство следующие учебные пособия:

 

Таганцев Д.К.  Наноструктурированные стеклообразные материалы.

Оглавление учебного пособия

Список принятых обозначений 4

Введение 5

1. СТЕКЛООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА 8

1.1. Общие сведения о стеклах 10

1.2. Определение понятия «стекло» 14

1.3. Строение стекла 22

2. СТЕКЛО – НАНОСТРУКТУИРОВАННЫЙ МАТЕРИАЛ 33

2.1. Микронеоднородная структура стекол 34

2.2. Концепция «кристаллические мотивы» 50

3. ОПТИЧЕСКИЕ СИТАЛЛЫ И СТЕКЛООБРАЗНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ 65

3.1. Физико-химические основы получения стеклокерамик 66

3.1.1. Термическая кристаллизация стекол 67

3.1.2. Фазовые превращения в стеклах при ионном обмене 89

3.2. Применения оптических стеклокерамик 112

3.2.1. Электрооптические и нелинейно-оптические ситаллы 113

3.2.2. Стекла с недиэлектрическими наночастицами 126

4. ДВУХФАЗНЫЕ И ПОРИСТЫЕ СТЕКЛА 139

4.1. Физико-химические основы получения стекол с нанопорами 140

4.1.1. Термодинамические причины ликвации стекол 140

4.1.2. Термическая ликвация 152

4.1.3. Ионообменная ликвация 157

4.2. Применение нанопористых стекол 161

5. СУБМИКРОННЫЕ СТРУКТУРЫ В СТЕКЛАХ 171

5.1. Термическая поляризация стекол – полинг 173

5.2. Запись оптические структуры в стеклах 186

5.3. Перспективы использования полинга 192

Библиографический список 205

 

 

Михайлов М.Д. Физико-химические основы процессов получения наночастиц и наноматериалов. Химические методы.


Оглавление учебного пособия

Предисловие 5

Глава 1. Объекты и области применения нанотехнологии 6

1.1. Терминология 7

1.2. Применение наночастиц, наноструктур и наноматериалов 12

 

Глава 2. Проблемы при получении наночастиц и наноматериалов 16


2.1. Подходы к получению наноматериалов 16

2.2. Образование и рост наночастиц 19

2.2.1. Скорость зародышеобразования. Гомогенное зародышеобразование 20

2.2.2. Гетерогенное зародышеобразование 25

2.2.3. Скорость роста кристаллов 29

2.3. Поверхность наночастиц 43

2.4. Агломерация и созревание наночастиц 51

2.5. Стабилизация наночастиц 59

2.5.1. Электростатическая стабилизация 60

2.5.2. Полимерная стабилизация 70

Глава 3. Процессы получения наночастиц в растворах – «мягкая химия» 74

3.1. Синтез в микро- и нанореакторах 75

3.1.1. Метод обратных мицелл 76

3.1.2. Пористые материалы как микро- и нанореакторы 85

3.1.3. Синтез наночастиц и наноструктур в микрореакторах 112

3.2. Синтез наночастиц в растворах 116

3.2.1 Метод горячего впрыска – синтез в неводных средах 117

3.2.2. Осаждение из водных растворов 125

3.3. Сольвотермальный синтез наночастиц 135

3.4. Сонохимический синтез наночастиц 143

3.5. Микроволновой синтез наночастиц 153

Глава 4. Золь гель синтез наночастиц и наноматериалов 159

4.1. Изготовление монолитных образцов 170

4.2. Металл полимерные гели и их применение для получения оксидных наноматериалов 173

4.3. Золь-гель синтез неоксидных наночастиц и наноматериалов 84

4.4. Получение пленок золь-гель методом 191

Глава 5. Получение наночастиц металлов 198

5.1. Синтез наночастиц восстановлением ионов металлов 199

5.2. Электрохимические методы получения наночастиц и наноструктур 214

5.3. Методы получения металлических нанонитей 224

Глава 6. Метод молекулярного наслаивания 234

6.1. Основы метода 234

6.2. Механизм процесса наслаивания 239

6.3. Оборудование для молекулярного наслаивания 244

6.4. Молекулярное наслаивание, стимулированное плазмой 247

6.5. Ионное наслаивание в растворах – метод «слой за слоем» 250

 

  • Шахмин А.Л.  Методы и приборы для анализа материалов и электронных компонентов в микро- и наномасштабе

Оглавление учебного пособия

Список принятых сокращений 5

Введение 6

1. Классификация методов анализа   9

2. Методы электронной спектроскопии 11

2.1. Основные сведения об эмиссии электронов из твердого тела 11

2.2. Электронная микроскопия поверхности 22

2.2.1. Устройство электронного микроскопа и его основные возможности 22

2.2.2. Принципы формирования контраста в электронной микроскопии 33

2.2.3. Подготовка образцов для электронной микроскопии  52

2.3. Рентгеноспектральный микроанализ 56

2.4. Катодолюминесценция 72

2.5.Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 87

2.5.1.Физические основы метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии 87

2.5.2 Обработка спектров рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии 98

2.6 Анализ поверхности методом Оже-спектроскопии 103

2.6.1. Физические основы метода Оже-спектроскопии 107

2.7. Ультрафиолетовая электронная спектроскопия 115

3. Анализ поверхности методами ионной спектроскопии 118

 

Александров С.Е. Технологии химического осаждения из газовой фазы

Оглавление учебного пособия

Введение 3

1. Сущность CVD процессов 5

1.1. Основные понятия и терминология 5

1.2. Многостадийность процессов химического осаждения из газовой фазы слоев  10

2. Техника процессов химического осаждения из газовой фазы 15

2.1. Газораспределительные системы 15

2.2. CVD реакторы  24

2.3. Системы удаления побочных продуктов реакций 27

3. Исследование физико-химических закономерностей CVD процессов 28

3.1. Общие требования к эксперименту  28

3.2. Параметры эксперимента 32

3.2.1. Температура осаждения  33

3.2.2. Скорость газового потока  40

3.2.3. Положение подложки относительно потока  44

3.2.4. Роль кристаллографической ориентации 45

3.2.5. Парциальные давления реагирующих веществ  46

3.2.6. Площадь поверхности подложки 47

4. Выявление закономерностей процессов химического осаждения из газовой фазы с привлечением инструментальных методов исследования технологической среды  48

4.1. Исследование структуры газовых потоков в реакторах  48

4.1.1. Метод трассирования  49

4.1.2. Оптические методы  53

4.2. Измерение температуры газа 57

4.2.1. Измерение температуры газа с помощью термопар 58

4.2.2. Спектроскопия комбинационного рассеивания  59

4.2.3. Интерференционная голография  63

4.3. Определение состава реакционной газовой фазы в зоне осаждения  65

4.3.1 Масс-спектрометрия 65

4.3.2. Газовая хроматография 73

4.3.3. Оптические методы 78

5. Примеры применения процессов химического осаждения из газовой фазы для получения наноматериалов и наноструктур 91

5.1. Получение тонких слоев и гетероструктур 92

5.1.1. Металлические тонкие пленки 92

5.1.2. Тонкие пленки оксидов  105

5.1.3. Гетероструктуры 123

5.2. Формирование поверхностных структур 124

5.2.1. Графены 124

5.2.2. Углеродные нанотрубки  132

5.2.3. Слои с регулируемой нанопористой структурой 144

5.2.4. Массивы нанокристаллов на поверхности 146

5.2.5. Наностержни 150

5.2.6. Поверхностные нанокластерные структуры 164

5.2.7. Осаждение в поверхностных каналах нанометровой ширины 170

5.3. Получение нанодисперсных частиц 177

Заключение 186

Литература 87


 

Черновец Б.В. Основы плазмохимии.

 

Оглавление учебного пособия

 

Введение .6

Место плазмохимии среди химических наук 8

Основные закономерности плазмохимических процессов 13

Методы возбуждения плазменного состояния 23

Элементарные процессы и промежуточные частицы в плазменных системах 26

Столкновения частиц. Характеристики столкновений 30

Методы измерения сечений столкновений 39

Методы оценки внутренней энергии частиц. Некоторые вопросы спектроскопии 43

Связь спектров поглощения, испускания и рассеяния с энергетическими состояниями частиц 55

Энергетические состояния атомов 57

Элементы квантово-механического описания атомов 59

Квантование моментов количества движения и их проекций 63

Магнитные моменты и их связь с механическими моментами 66

Сложение моментов количества движения 68

Энергетические состояния атома водорода 69

Сравнение теории Шрѐдингера с экспериментальными результатами для атома водорода 71

Описание энергетических состояний атомов с учѐтом спин-орбитального взаимодействия 76

Правила отбора 79

Правила отбора для одноэлектронных (водородоподобных) атомов 81

Распределение электронной плотности водородоподобных атомных систем 82

Многоэлектронные атомы 87

Энергетические состояния атома гелия 90

Оптический спектр атомов гелия 92

Электронные конфигурации атомов 94

Взаимодействие электронных угловых моментов 98

Энергетическая диаграмма и спектр атомов ртути 107

Возбуждѐнные состояния атомов 112

Одноэлектронное возбуждение 113

Одновременное возбуждение двух электронов 113

Возбуждение электронов внутренних оболочек и процесс Оже 116

Молекулы. Виды движения в молекуле и типы молекулярных спектров 118

Вращательное движение двухатомных молекул 121

Колебательное движение молекул 128

Колебательно-вращательные движения молекул 135

Колебания многоатомных молекул 140

Аналитические применения инфракрасной спектроскопии 153

Электронные состояния молекул 155

Электронные конфигурации и основные состояния молекул 164

Возбуждѐнные молекулярные состояния 170

Диаграмма Яблонского 174

Элементарные плазмохимические процессы 180

Библиографический список 203

Приложение 204

 

Мишин М.В. Методы получения вакуума и криогенных температур


Оглавление учебного пособия

ВВЕДЕНИЕ. 6

1. ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА. 9

1.1. Определение вакуума и его основные свойства  9

1.2. Молекулярно-кинетическая модель вакуума  10

1.2.1. Давление газа 13

1.2.2. Сечение взаимодействия и длина свободного пробега 15

1.2.3. Понятие о степенях вакуума 18

1.2.4. Молекулярный и вязкостный режимы  20

1.3. Физика процесса откачки газов и паров  21

1.3.1. Определение потока газа 21

1.3.2. Проводимость вакуумного канала 22

1.3.2.1. Проводимость отверстия 22

1.3.2.2. Проводимость длинного канала 23

1.3.3. Вакуумный насос и скорость откачки  25

1.3.4. Источники газа в вакуумной системе 27

1.3.4.1. Течи в вакуумной системе 27

1.3.4.2. Мнимые течи 27

1.3.4.3. Испарение 27

1.3.4.4. Газовыделение с поверхности 28

1.3.4.5. Растворение газа в объеме 32

1.3.4.6. Газопроницаемость стенок 32

1.4. Материалы высоковакуумных систем  33

1.4.1. Металлы  33

1.4.2. Стекла 35

1.4.3. Керамики  37

1.4.4. Синтетические материалы  39

1.5. Методы получения вакуума  40

1.5.1. Классификация вакуумных насосов  41

1.5.2. Механические насосы объемного действия 41

1.5.2.1. Поршневые насосы  42

1.5.2.2. Форвакуумные насосы с масляным уплотнением  43

1.5.2.3. Пластинчато-статорный насос 43

1.5.2.4. Пластинчато-роторный насос 44

1.5.2.5. Плунжерные (золотниковые) насосы  47

1.5.2.6. Двухроторные насосы  48

1.5.2.7. Особенности эксплуатации насосов с масляным уплотнением  50

1.5.2.8. Диафрагменные насосы  55

1.5.2.9. Спиральные насосы  57

1.5.2.10. Винтовые насосы  59

1.5.2.11. Кулачковые (когтевые) насосы  60

1.5.3. Молекулярные насосы  63

1.5.3.1. Турбомолекулярные насосы  63

1.5.3.2. Пароструйные насосы  75

1.5.4. Насосы поверхностного действия 82

1.5.4.1. Адсорбционные насосы  85

1.5.4.2. Криогенные насосы  90

1.5.4.3. Геттерные насосы  93

1.5.5. Ионные насосы  95

1.5.5.1. Геттеро-ионные насосы  97

1.5.5.2. Магниторазрядные насосы  99

1.6. Методы измерения давления  105

1.6.1. Механические вакуумметры  105

1.6.2. Вакуумметры, использующие явления переноса 110

1.6.3. Ионизационные вакуумметры  121

1.6.3.1. Ионизационные вакуумметры с накаливаемым катодом  122

1.6.3.2. Ионизационные вакуумметры с холодным катодом  128

1.6.4. Измерение парциальных давлений  131

1.6.4.1. Статические масс-спектрометры  133

1.6.4.2. Динамические масс-спектрометры  135

1.6.4.3. Термодесорбционный газоанализатор 137

1.7. Конструкционные элементы вакуумных систем  138

1.7.1. Уплотнительные прокладки  138

1.7.2. Электрические вводы  142

1.7.3. Ввод механического движения 144

1.7.4. Вентили и натекатели  146

1.8. Архитектура вакуумных систем  147

1.8.1. Вакуумные системы на основе диффузионного и ротационного насосов  147

1.8.2. Вакуумные системы на основе турбомолекулярных насосов  151

1.8.3. Вакуумные системы на основе ионных насосов  152

1.8.4. Вакуумные системы на основе крионасосов  156

1.9. Средства течеискания  158

1.9.1. Вакуумметрический метод  159

1.9.2. Метод обнаружения течей при помощи ионного насоса 161

1.9.3. Галогенный метод  162

1.9.4. Масс-спектрометрический метод  163

2. КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА. 169

2.1. Реальные газы и пар  169

2.1.1. Силы межмолекулярного взаимодействия 169

2.1.2. Уравнение Ван-дер-Ваальса 174

2.1.3. Изотермы реальных газов. Фазовые переходы  176

2.2. Методы получения низких температур  179

2.2.1. Эффект Джоуля-Томсона 179

2.2.2. Обратимое адиабатическое расширение 184

2.2.3. Магнитное охлаждение 188

2.3. Системы ожижения газов  192

2.3.1. Системы ожижения с использованием процесса дросселирования 192

2.3.1.1. Простая система Линде—Хэмпсона 192

2.3.1.2. Система Линде—Хэмпсона с предварительным охлаждением  195

2.3.1.3. Система Линде с двойным дросселированием  196

2.3.1.4. Каскадная система 198

2.3.1.5. Система Линде—Хэмпсона с предварительным охлаждением для неона и водорода 199

2.3.2. Системы ожижения с использованием процесса обратимого адиабатического расширения 201

2.3.2.1. Система Клода 201

2.3.2.2. Система Капицы  202

2.3.2.3. Система Гейландта 203

2.3.2.4. Система Клода с двумя уровнями давления 204

2.3.2.5. Система ожижения природного газа (ОПГ) 205

2.3.2.6. Система Клода для водорода или неона 206

2.4. Методы измерения сверхнизких температур  207

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 215

Библиографический список. 216

 

 11. При подготовке магистров следует уделять большее внимание самостоятельной исследовательской работе студентов. Для этого необходимо предусматривать финансирование на закупки оборудования и материалов, не только уникальных по своему назначению и использованию, но и стандартного оборудвания лабораторий. Это позволит студентам проводить большой объем самостоятельных научно-исследовательских работ и получить навыки экспериментальной работы. 


12.   Реализация и подготовка инноваций в образовательной деятельности

 

Характеризуемые области

ВПО, магистратура

1

Прогнозирование и проектирование новых образовательных целей

П(1)

2

Установление новых норм качества подготовки

П(1)

3

Проектирование нового содержания образования

П(1)

4

Разработка и внедрение новых образовательных технологий

П(1)

5

Разработка и внедрение новых технологий оценки

П(1)

6

Развитие ресурсного обеспечения образовательного процесса

П(1)

7

Развитие инфраструктуры организации образовательного  процесса

П(1)

8

Развитие системы трудоустройства и адаптации выпускников на рынке труда

П(1)

9

Развитие информационно-компьютерной поддержки образовательного процесса

П(1)

10

Развитие системы мониторинга качества образования

П(1)

11

Развитие системы информирования общества о качестве образования в вузе

П(1)

 

При заполнении таблицы используются следующие обозначения степени внедрения инновации: Р – реализация инновации, П – подготовка к внедрению инновации; В – внедрение инновации. Рядом с обозначением степени внедрения инновации в круглых скобках указывается количество инноваций (например, В(1) – внедрена 1 инновация).

 

Конкретизация на примерах реализацию инноваций, обозначенных в таблице,  в разработанной ООП (образовательном стандарте вуза):

  1. Подготовленная ООП является оригинальной, не имеющей аналогов в системе высшего профессионального образования в России. Это обусловлено как новизной задачи подготовки магистров по направлению 152100 «Наноматериалы», так и актуальностью данного направления для развития современной инновационной экономики.
  2. Установление новых форм подготовки магистров обусловлено  стремлением создать ООП, в которой наибольшее внимание уделялось бы самостоятельной научно-исследовательской работе студентов. Целью аудиторных занятий является помощь студенту в освоении разделов современной науки о наноматериалов для более эффективной его самостоятельной работы. Поэтому предусмотрено, что значительная часть дисциплин выбирается для изучения студентом, понимая какова роль данной дисциплины в его научном направлении.
  3. Проектирование нового содержания образования заключается в отходе от традиционного метода подачи студенту новых знаний в виде только лекционных курсов. Подход, развиваемый в подготовленной ООП, основывается на самостоятельном изучении основных разделов дисциплин. Это позволяет снизить лекционную нагрузку в пользу практических занятий и самостоятельной работы студентов.
  4. Разработка и внедрение новых образовательных технологий была основной целью данного  мероприятия. В предлагаемой ООП предусмотрено применение всех новых образовательных технологий – широкое применение электронных баз данных и электронных учебников и учебных пособий, мультидисциплинарность образовательных дисциплин, применений мультимедийного оборудования при обучение, преобладающий объем самостоятельной работы студентов и их вовлеченность в научно-исследовательскую работу в течение всего периода обучения в магистратуре.
  5. Разработка и внедрение новых технологий оценки основывается на преобладании тестирования как способа оценки текущего освоения материала и на введении количественных, а значит более объективных, критериев оценки знаний студентов при проведении экзаменов и выставлении зачетов.
  6. Развитие ресурсного обеспечения образовательного процесса обусловлено широким внедрением в образовательный процесс мультимедийных средств обучения, а также применением всеми студентами средств для работы с электронными базами данных и документами.
  7. Развитие инфраструктуры организации образовательного  процесса заключается в организации нового направлении подготовки магистров, для чего должны быть созданы оснащенные современным оборудованием аудиторные и лабораторные места.
  8. Развитие системы трудоустройства и адаптации выпускников на рынке труда. Разработанная ООП и ее внедрение в СПбГПУ позволит начать подготовку специалистов, готовых к работе в современных, быстро растущих областях электронной и оборонной промышленности. Большинство выпускников будут знакомы с будущим место работы еще на стадии обучения – в ходе прохождения практик, встреч с представителями организаций – заказчиков, участия в научно-исследовательской работе, в т.ч. в выполнении контрактов, выполнения и защиты магистерской диссертации. Соответственно, студент может выбирать дисциплины из учебного плана и, частично, их содержание принимая во внимание тематику его будущего места работы. Это позволит существенно сократить время его адаптации после окончания магистратуры.
  9. Развитие информационно-компьютерной поддержки образовательного процесса заключается в широком применении возможностей информационной поддержки, имеющейся в СПбГПУ: электронная подписка на отечественные и зарубежные научные журналы, учебные материалы отечественных и зарубежных университетов. В ООП предполагается широкое применение студентами пакетов программ для термодинамического анализа процессов при получении и применении наноматериалов, кинетических закономерностей химических и фазовых превращений, обработки и анализа экспериментальных результатов.
  10.  Развитие системы мониторинга качества образования состоит во внедрении новых форм промежуточного контроля знаний в виде тестирования, презентации результатов работы студентов на практических занятиях, проведения экзаменов в интерактивной форме.
  11. Развитие системы информирования общества о качестве образования в вузе заключается, прежде всего в размещении всех необходимых материалов на сайтах университета и кафедры. В настоящее время это особенно важно, т.к. сегодня основным источником информации об университете, его образовательных программах, условиях приема и обучения, потенциальных возможностях трудоустройства для потенциального студента и его родителей является Интернет. К началу приемной кампании кафедрой будут подготовлены буклеты, в которых будет приведена информация о начале приема на данное направление.

 

5. Использование в учебном процессе.

 

Предполагается, что данная ООП будет внедрена в учебный процесс в 2013 г. Для этого в начале 2013 г. должны быть  проведены все согласительные процедуры и проведена соответствующая информационная подготовка. В основном, на данное направление будут поступать лица, окончившие бакалавриат СПбГПУ по материаловедческим, химическим и физическим направлениям. Массовый выпуск бакалавров в СПбГПУ будет в 2014 г., поэтому именно после этой даты следует ожидать массового приема. Ожидается также поступление в магистратуру большого числа выпускников провинциальных университетов, в которых магистратура отсутствует. Большое число специализированных дисциплин, отражающих современное состояние науки о наноматериалах, разработанных в ходе выполнения данного мероприятия, можно использовать в качестве основы для организации курсов повышения квалификации работников промышленности.