Рабочая программа дисциплины "Физика и диагностика вещества и его поверхности" (Содержание дисциплины. Лабораторный практикум)

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования направления для направления 654100 «Электроника и микроэлектроника» утвержденным 10.03.2000 г. (регистрационный № 23 ТЕХ/ДС)  и учебным планом специальности 071400 «Физическая электроника».

Программу составил:

д. ф.-м. н. В.В. Овчинников

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры “Электрофизика” “___”__________2005г., протокол  №____.

Заведующий кафедрой                                                              С.П. Никулин

Рабочая программа одобрена на заседании Методической комиссии физико-технического факультета

“____”_________2005 г., протокол №____.

Председатель методической комиссии                                     П.В. Волобуев

АННОТАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина посвящена изучению современных представлений о физике поверхности твердых тел, а также о физической природе, характеристиках и возможностях наиболее информативных методов исследования поверхности и приповерхностных объемов твердых тел.

1.   Цели и задачи дисциплины

Изучение физических и физико-химических свойств поверхности твердого тела является неотъемлемой частью исследований, связанных с разработкой новых материалов, а также созданием нетрадиционных технологий их получения и методов обработки.

Целью дисциплины является изложение современных представлений о физике поверхности твердых тел и поверхностных явлениях: термодинамике, электронной структуре, физической адсорбции и хемосорбции, а также подробное ознакомление студентов с современными физическими методами исследования поверхности.

2.  Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины студенты должны:

-      приобрести знания об особенностях строения поверхности твердых тел и протекающих на ней физических процессах;

-  получить представления о современных методах исследования поверхности;

-  свободно ориентироваться в выборе методов для изучения химического состава, структуры и свойств поверхности и приповерхностных объемов различных веществ.

3.  Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры 8
Общая трудоемкость дисциплины	130	130
Аудиторные занятия	51	51
Лекции	34	34
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Другие виды аудиторных занятий
Лабораторные работы (ЛР)	17	17
Самостоятельная работа	79	79
Курсовой проект
Курсовая работа	20	20
Расчетно-графические работы
Графическая работа
Расчетная работа
Домашняя работа
Домашнее задание
Другие виды самостоятельных работ
Вид итогового контроля	Э	Э

4.  Содержание дисциплины

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№ п/п	Раздел дисциплины	Лекции час.	ПЗ, час.	С, час.	ЛР, час.
1	Введение	1		2
2	Физика поверхности	9		18
2.1	Теоретические модели и электронные свойства поверхности	2		4
2.2	Кристаллическая структура поверхности	2		4
2.3	Термодинамика поверхности	2		4
2.4	Методы получения атомно чистой поверхности	1		2
2.5	Физическая адсорбция и хемосорбция	3		6
3	Анализ поверхности слоев металлов с помощью легких высокоэнергетических ионов	4		8
3.1	Резерфордовское обратное рассеяние	1		2
3.2	Эффект каналирования	1		2
3.3	Характеристическое рентгеновское излучение	1		2
3.4	Метод ядерных реакций	1		2
4	Анализ поверхности с помощью эффекта Мессбауэра	6	9	12	4
4.1	Сущность эффекта Мессбауэра. Эмиссионная и адсорбционная методики	2		4
4.2	Эффект Мессбауэра на конверсионных электронах	2		4	4
4.3	Анализ атомной и магнитной структуры, фазового состава и динамики поверхности с помощью эффекта Мессбауэра	2	9	4
5	Активационный анализ	1		2
6	Масс-спектрометрия вторичных ионов	1		2
7	Микрорентгеноспектральный анализ	2		4	9
8	Электронная спектроскопия химического анализа	2		3
9	Рентгеноструктурный анализ	2		2
10	Полевая  ионная микроскопия	2	8	2	4
11	Сканирующая туннельная микроскопия	1		1
12	Оже - спектроскопия	2		2
13	Заключение	1		1

1. Введение

Краткая характеристика и краткое содержание дисциплины, цели, задачи, объем, порядок изучения материала. Формы контроля самостоятельной работы. Учебная литература.

 Раздел 2. Физика поверхности.

2.1.  Теоретические модели и электронные свойства поверхности.

Модель желе. Одномерная зонная теория. Трехмерная теория.

2.2.  Кристаллическая структура поверхности.

Кристаллография. Динамика. Реконструкция и релаксация.

2.3.  Термодинамика поверхности.

Поверхностное натяжение и поверхностное напряжение. Анизотропия поверхностного натяжения. Разупорядочивающий переход.

2.4.  Методы получения атомно чистой поверхности.

Термическое  испарение. Ионное распыление. Скол в высоком вакууме. Испарение в сильном электрическом поле.

2.5.  Физическая адсорбция и хемосорбция.

Физическая адсорбция. Термодинамика. Электронная структура, хемосорбция. Металлы, полупроводники.

Топография. Симметрия центров. Длина связей. Ориентация. Фазовые переходы. Электронная структура. Кинетика и динамика.

Раздел 3. Анализ поверхности слоев металлов с помощью легких высокоэнергетических ионов.

3.1.  Резерфордовское обратное рассеяние.

Упругие соударения с ядрами атомов. Неупругие соударения с ядрами атомов и связанными электронами. Спектры обратного рассеяния.

3.2.  Эффект каналирования.

Открытые каналы. Выход обратно рассеянных атомов. Интерпретация спектров обратного рассеяния при наличии каналирования.

3.3.  Характеристическое рентгеновское излучение.

Возбуждение характеристического излучения внутренних оболочек атомов. Возбуждение коротковолновым рентгеновским излучением. Возбуждение электронами (10 – 100 кэВ). Возбуждение ускоренными ионами (0,1 – 5 МэВ).

3.4.  Метод ядерных реакций

Кулоновский барьер. Возбуждение протонами, дейтронами, тритонами и ионами ³Не. Типы используемых ядерных реакций. Получение двухмерных распределений элементов на заданной глубине.

Раздел 4. Анализ поверхности с помощью эффекта Мессбауэра.

4.1.  Общее положение.

Сущность эффекта Мессбауэра. Кривые резонансного поглощения. Параметры мессбауэровских спектров.

4.2.  Эмиссионная и адсорбционная методики.

Методы регистрации эффекта Мессбауэра. Геометрия эксперимента. Детекторы гамма излучения.

4.3.  Эффект Мессбауэра на конверсионных электронах.

Электроны конверсии. Коэффициент конверсии. Глубина выхода электронов конверсии. Проточные счетчики электронов.

4.4.    Анализ атомной и магнитной структуры, фазового состава и динамики поверхности с помощью эффекта Мессбауэра.

Локальное атомное окружение мессбауэровских ядер. Возмущение зарядовой и спиновой плотности на ядрах ⁵⁷Fe атомами примеси. Связь атомной и магнитной структуры кристаллов со строением мессбауэровских спектров. Спектры различных фаз. Фазовый анализ. Динамика кристаллической решетки. Изменение вероятности эффекта Мессбауэра Релятивистский сдвиг мессбауэровского спектра.

Раздел 5. Активационный анализ.

Активация материалов нейтронным облучением. Метод радиоактивных индикаторов.

Раздел 6. Масс-спектрометрия вторичных ионов.

Распыление поверхности низкоэнергетическими ионами. Скорость распыления. Скорость ионизации. Масс-спектрометрические методы регистрации рассеянных ионов.

Раздел 7. Микрорентгеноспектральный анализ.

Электронно-оптические системы (получение узких пучков электронов). Анализ характеристического рентгеновского излучения. Получение растровых изображений.

Раздел 8. Электронная спектроскопия химического анализа.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Толщина анализируемых слоев. Качественный и количественный анализ. Химические сдвиги. Аппаратура.

Раздел 9. Рентгеноструктурный анализ. (Рентгенодифракционные методы анализа тонких поверхностных слоев материалов).

Рентгеновское излучение. Вульф-Брэгговское рассеяние рентгеновских лучей. Уравнение Вульфа-Брэггов. Структурный фактор. Фазовый анализ. Исследование поверхности в скользящих пучках.

Раздел 10. Полевая   ионная микроскопия.

Основные характеристики метода. Принципы получения полевых ионных изображений. Роль туннелирования. «Испарение» поверхностных атомов сильным электрическим полем. Ионный микрозонд.

Раздел 11. Сканирующая туннельная микроскопия.

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа. Чувствительность и применения метода.

Раздел 12. Оже-спектроскопия.

Оже-эффект. Методы возбуждения электронов (ЭОС, ФОС, ИОС). Обозначения электронных переходов. Оже-спектрометры. Интерпретация спектров Оже-электронов.

Заключение. Перспективы развития новых методов анализа поверхности

5. Лабораторный практикум

№ п/п	№  раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ
1.	10	Кристаллографическая идентификация полевых ионных изображений поверхности металлов
2.	4.2	Исследование воздействия ионной бомбардировки на металлические сплавы методом ядерного гамма резонанса
3.	7	Влияние высокодозной ионной имплантации на период кристаллической решетки армко-железа.
4.	7	Качественный рентгеноструктурный фазовый анализ образцов сплава FePd2Au при индуцированном ионной бомбардировкой низкотемпературном фазовом переходе “атомный беспорядок”® “дальний атомный порядок”

6. Курсовая работа

1. Методы моделирования мессбауэровских спектров с использованием компьютерных технологий. 2.Освоение методов расчета чистых металлов. 3.Метод зондирования, базирующийся на ионных пучках. 4.Метод зондирования с помощью нейтральных частиц. 5.Фотоны – зондирующие частицы. 6.Электроны – зондирующие частицы. 7.Фононы, как средство зондирования. 8.Оптические  методы исследования поверхности. 9.Атомная спектроскопия. 10.Молекулярная спектроскопия. 11.Инфоракрасная спектроскопия. 12.Спектраскопия комбинационного рассеяния. 13.Рентгеновская спектроскопия. 14.Спектроскопия глубоких уровней. 15.Электронно-эмисионный анализ.

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1. Рекомендуемая литература.

а) основная литература:

1.  Э.Зенгуил. Физика поверхности. Пер. с англ. Под ред. Киселева В.Ф. М.: Мир, 1990. 536 с.

2.  Овчинников В.В., Чолах С.О. Исследование воздействия ионной бомбардировки на металлические сплавы методом ядерного гамма-резонанса. Екатеринбург: УГТУ-УПИ.1997. 30 с.

3.  Ивченко В.А., Овчинников В.В., Чолах С.О. Кристаллографическая идентификация полевых ионных изображений монокристаллов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2001. 28 с.

4.  Чемеринская Л.С., Овчинников В.В., Ивченко В.А., Чолах С.О. Рентгеноструктурный анализ ионолегированных металлов и сплавов