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 «Методы и приборы для изучения, анализа и

диагностики наночастиц и наноматериалов»

для направления 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста
Автор программы:Смирнов И.С, к.ф.-м.н., доцент [email protected]
Одобрена на заседании кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии» «___»____________ 2012 г

Зав. кафедрой Кулагин В.П.

Рекомендована секцией УМС «___»____________ 20 г

Председатель
Утверждена УС факультета «___»_____________20 г.

Ученый секретарь ________________________

Москва, 2012

Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.

1. Цели и задачи дисциплины.

Целью освоения дисциплины «Методы и приборы для изучения, анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов» является приобретение студентами знаний о методах анализа элементного состава, структуры и геометрических параметрах наноразмерных частиц и материалов. Задачами дисциплины являются: изучение физических основ современных методов анализа элементного состава, структуры и размерных параметров наноматериалов; изучение принципов построения оборудования и экспериментальной реализации этих методов; изучение основных расчетных методик, используемых для анализа экспериментальных данных.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

В результате изучения дисциплины студент должен:

а) знать:

• 
  теоретические основы методов изучения элементного состава наноматериалов;
  
• 
  теоретические основы методов изучения структуры наноматериалов;
  
• 
  теоретические основы методов определения геометрических параметров наночастиц и наноструктур;
  
• 
  физические принципы построения и работы оборудования для диагностики наноматериалов;
  
• 
  современный научно-технический уровень исследований наноматериалов.
  

б) уметь:

• 
  выбрать метод диагностики для определения параметров наночастиц и наноматериалов при решении конкретной практической задачи;
  
• 
  применять полученные знания для проведения экспериментальных исследований;
  
• 
  обрабатывать полученные экспериментальные данные на основе современных информационных технологий.
  

3. 
   Объем дисциплины и виды учебной работы.
   

Вид учебной работы	Всего Часов	Семестры
		6	7
Общая трудоемкость дисциплины	210	100	110
Аудиторные занятия	119	51	68
Лекции	68	34	34
Практические занятия (ПЗ)	17		17
Семинары (С)	-	-
Лабораторные работы (ЛР)	34	17	17
Самостоятельная работа	91	49	42
Курсовой проект (работа)	28	-	28
Расчетно-графические работы	-	-
Коллоквиум	-	-
Реферат
Домашнее задание	34	20	14
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)	экзамен	экзамен	экзамен

( В первой графе таблицы указываются виды аудиторных и самостоятельных занятий студентов. Во второй графе указывается общая трудоемкость дисциплины в часах в соответствии с ГОС ВПО, объем аудиторных и объем самостоятельных занятий в соответствии с примерным учебным планом. В третьей графе указываются номера семинаров, в которых предусматривается каждый вид учебной работы и вид итогового контроля по дисциплине )

3.1. Разделы дисциплины и виды занятий.

№ п/п	Раздел дисциплины	Аудиторные занятия, часы
		Лекции	ПЗ (или С)	ЛР
1	Введение	2	-	-
2	Методы и приборы для определения элементного состава наноматериалов	18	4	8
3	Методы и приборы для изучения структуры наночастиц и наноматериалов	26	6	16
4	Методы и приборы для анализа геометрических параметров и размеров наночастиц	20	6	10
5	Специальные методы исследования	4	1	-

3.2. Содержание разделов дисциплины.

( Указывается название каждого раздела и его содержание)

Раздел 1. Введение.

Предмет и задачи курса. Понятие структуры материалов, специфические требования к методам диагностики наночастиц и наноматериалов. Общие характеристики методов изучения, анализа и диагностики объемных и наноструктурированных материалов. Определяющее значение аналитических методов в иссле­довательской практике и в условиях производства для создания наноматериалов с заданными свойст­вами и контроля качества материалов и приборов. Роль отечественных ученых в развитии аналитических методов.

Раздел 2. Методы и приборы для определения элементного состава наноматериалов.

2.1. Рентгеноспектральный анализ элементного состава вещества.

Методы возбуждения рентгеновских спектров.Сплошной и характеристический рентгеновский спектр. Работа рентгеновской трубки. Синхротронное излучение. Явления, сопровождающие прохождение рентгеновских лучей через вещество. Закон поглощения рентгеновских лучей, рентгеновская дефектоскопия, фильтрация рентгеновского излучения. Преломление рентгеновских лучей. Флюоресцентное излучение. Спектрометры рентгеновского излучения с волновой и энергетической дисперсией. Микрорентгеноспектральный анализ, схема прибора, особенности применения. Аналитические возможности метода.

2.2. Исследования состава наноматериалов методами электронной спектроскопии.

Сущность методов электронной спектроскопии, Оже- электронные и рентгеновские фотоэлектронный спектры. Информационная глубина. Схема спектрометров, типы приборов. Эле­ментная чувствительность. Подготовка образцов. Изучение профилей распределения кон­центрации по глубине. Качественный и количественный Оже- и ЭСХА- анализ. Характеристика применений.

2.3. Исследование состава наноматериалов методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС).

Физические основы метода ВИМС и формирование сигнала. Аппаратура метода и его аналитические характеристики. Статический и динамический режимы работы. Под­готовка образцов. Анализ распределений концентрации по глубине. Количественный анализ ВИМС. Области применимости метода.

Раздел 3. Методы и приборы для изучения структуры наночастиц и наноматериалов

3.1. Теоретические основы дифракционных методов исследования структуры материалов.

3.1.1.Кинематическая теория рассеяния, основные положения кинематической теории рассеяния и область ее применения. Вектор и угол рассеяния. Выражения для амплитуды рассеяния волн в кинематическом приближении. Рассеяние на объектах с периодической структурой. Обратная решетка, связь между прямой и обратной решетками. Уравнение дифракции Лауэ. Формула Вульфа-Брегга. Построение Эвальда. Фактор формы и рассеяние кристаллами конечных размеров. Угловая ширина дифракционного максимума в кинематическом приближении. Рассеяние поликристаллами, аморфными телами.

3.1.2. Элементы динамической теории рассеяния. Рассеяние идеальными кристаллами. Волновое поле в кристалле. Экстинкция. Двухволновое приближение. Отражение по схеме Брегга. Область полного интерференционно­го отражения. Интегральный коэффициент отражения в динамическом приближении. Вторичные эффекты при бреговской дифракции.

3.2. Рентгеновские методы исследования структуры наноматериалов.

Рассеяние рентгеновских лучей электроном. Поляризация рассеянного излучения. Рассеяние атомов - атомная амплитуда когерентного рассеяния рентгеновских лучей. Рассеяние кристаллом - структурная амплитуда рассеяния. Влияние температуры на интенсивность дифракционной картины. Интегральный коэффициент отражения.

Способы регистрации рентгеновской дифракционной картины. Работа рентгеновского дифрактометра. Метод поликристалла (Дебая-Шерера). Геометрия рентгенограмм и интенсивность дифракционных максимумов на рентгенограммах поликристаллов. Расчет и индицирование рентгенограмм.

Идентификация вещества по данным межплоскостных расстояний. Фазовый анализ материалов. Возможности количественного и качественного анализа.

Прецизионное определение параметров кристаллической решетки и его приложения в ма­териаловедении. Оценка точности. Рентгенографическое определение напряжений 1 рода, коэффициентов теплового расширения, исследование твердых растворов.

Анализ уширения профиля рентгеновских дифракционных максимумов. Оценка размеров нанокристалллов.

Влияние текстуры на дифракционную картину поликристаллов. Понятие о полюсных фигурах.

Работа и устройство двухкристального рентгеновского спектрометра. Использование высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии для изучения наноразмерных пленок, эпитаксиальных композиций, диффузионных и ионно-имплантированных слоев, анализа глубины и профиля искажений.

3.3. Методы, основанные на дифракции электронов.

Электронография. Особенности рассеяния электронов атомами вещества. Принцип работы электронографа и типы электронограмм. Подготовка образцов. Применение электронографии. Симметрия точечных электронограмм. Расчет и индицирование электронограмм. Электронограммы поликристаллов, влияние текстуры.

Трансмиссионная электронная микроскопия. Оптическая схема электронного микроскопа. Наблюдение в светлом и темном поле. Микродифракция. Разрешающая способность электронного микроскопа. Понятие о дифракционном контрасте. Колонковое приближение. Использование амплитудно-фазовых диаграмм для анализа контраста. Контраст на границах зерен, дефектах упа­ковки, дислокациях. Возможность определения направления и знака вектора Бюргерса дислокаций, типа дислокационных петель.

Исследование гетерогенных сплавов. Возможности микродифракции. Адсорбционный контраст. Метод реплик.

Исследование структуры поверхности кристаллов методом дифракции медленных электронов (ДМЭ). Схема эксперимента, формирование дифракционной картины. Анализ поверхностных сверхструктур. Основные результаты и области применений.
Раздел 4. Методы и приборы для анализа геометрических параметров и размеров наночастиц

Растровая электронная микроскопия (РЭМ). Основные принципы электронно-зондового анализа и взаимодействие электронного пучка с образцом. Схема РЭМ и особенности формирования изображения. Виды контраста в РЭМ. Разрешающая способность и качество изображения. До­полнительная обработка сигнала в РЭМ для получения информации. Подготовка образцов различных материалов для исследования с помощью РЭМ. Области применений.

Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующие туннельный и атомно-силовой микроскопы. Принципы построения и работы приборов. Режимы работы СТМ и АСМ. Дополнительные возможности сканирующей зондовой микроскопии. Применение метода для определения шероховатости сверхгладких поверхностей.

Трансмиссионная электронная микроскопия для определения геометрических параметров и размеров наночастиц. Сравнительный анализ возможностей методов микроскопии для изучения наноструктур и наночастиц.

Рассеяние рентгеновских лучей под малыми углами. Исследование структуры полимеров и биологических объектов, определение размеров коллоидных частиц.

Метод рентгеновской рефлектометрии для определения толщины, шероховатости поверхности, плотности и пористости наноразмерных пленок.

Раздел 5. Специальные методы исследования.

Нейтронография. Возможности применения нейтронографии для изучения наночастиц и наноматериалов. Эмиссионная микроскопия. Ионный проектор. Метод резерфордовского обратного рассеяния ионов.

3.4. Курсовое проектирование

Выполняя курсовую работу, студенты приобретают навыки работы со справочной литературой и осваивают типовые методики расчетов, используемых для структурного и элементного анализа наноматериалов.

4. 
   Лабораторный практикум.
   

№	Тема занятия	Кол-во часов
1	Рентгенографическое определение вещества по данным о межплоскостных расстояниях	4
2	Изучение эпитаксильных струк­тур с помощью двухкристального рентгеновского спектрометра	4
3	Электронография	4
4	Изучение работы растрового электронного микроскопа	5
5	Определение ориентировки кристаллов по методу Лауэ	4
6	Прецизионное определение параметров решетки кристалла	4
7	Изучение работы сканирующего зондового микроскопа	4
8	Изучение работы трансмиссионного электронного микроскопа	5

5. 
   Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
   

5.1. Рекомендуемая литература.

Основная

1. Оура К., Лифшиц Б.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности. М.:Наука, 2006, 490 с.

2. Суздалев И.П. Нанотехнология. М.: «Либроком», 2009, 592 с.

Дополнительная

1. Бублик В.Т., Дубровина А.Н. Методы исследования структуры полупроводников и метал­лов. М.: Металлургия, 1978.

2. Бублик В.Т., Дубровина А.Н. Сборник задач и упражнений по курсу МИСМ. М. "Высшая школа" 1988.

3. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 2002.

5.2. Средства обеспечения дисциплины

Лаборатория рентгеновского анализа, лаборатория электронной микроскопии, лаборатория методов исследования поверхности материалов.

Рабочая программа составлена в соответствии с учебным планом по специальности 210602 – Наноматериалы.