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

"Физико-механические свойства материалов для микро- и наносистемной техники"
для специальности 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра

Автор программы:

Бондаренко Г.Г., д.ф.-м.н.,профессор,
gbondarenko@hse.ru



Одобрена на заседании кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии» «___»____________ 2013 г

Зав. кафедрой:

В.П.Кулагин

Рекомендована секцией УМС [Введите название секции УМС] «___»____________ 20 г

Председатель [Введите И.О. Фамилия]
Утверждена УС факультета [Введите название факультета] «___»_____________20 г.

Ученый секретарь [Введите И.О. Фамилия] ________________________ [подпись]

Москва, 2013

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

I. Пояснительная записка

Курс "Физико-механические свойства материалов для микро- и наносистемной техники"

читается студентам третьего курса обучения специальности 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» факультета электроники и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ. Общая продолжительность курса составляет 18 недель. Курс проводится в осеннем семестре (сентябрь-декабрь) по 4 часа в неделю.

Количество лекций (часы): 36

Количество лабораторных работ (часы): 18.

Количество практических занятий (часы): 18.

Кроме того, учебным планом предусмотрено проведение коллоквиума, написание студентами реферата и контрольной работы.

---

Цель и задачи курса

Цель курса «Физико-механические свойства материалов для микро- и наносистемной техники» заключается в том, чтобы дать студентам углубленное представление об основных свойствах материалов, используемых в микро- и наносистемной технике, - физических (электрических, магнитных, тепловых) и механических (упругих, пластических и прочностных), а также перспективах создания эффективных миниатюрных и сверхминиатюрвых систем, обусловленных особыми физико-механическими свойствами материалов, в частности наноразмерных структур.

Для достижения поставленной цели реализуются следующие задачи:

- раскрываются закономерности влияния различных факторов (среды, обработки, температуры, наличия примесей, состояния поверхности, размера образца и др.) на физико-механические свойства материалов, в частности наноматериалов;

- рассматриваются основные способы улучшения физико-механических свойств материалов микро- и наносистемной техники (целенаправленное легирование, модифицирующая обработка, оптимизация структуры и др.);

- демонстрируются разнообразные примеры использования эффективных материалов, в частности наноразмерных материалов, с особыми физико-механическими свойствами в современных устройствах и изделиях микро- и наносистемной техники.

Формы контроля

Курс «Физико-механические свойства материалов для микро- и наносистемной техники» предполагает текущий и рубежный контроль. В качестве текущего контроля выступают коллоквиум, контрольная работа, реферат, рубежного контроля – устный зачет.

Структура итоговой оценки

Кумулятивная оценка складывается из трех элементов:

• 
  выполнение лабораторных работ — 10%:
  
  • 
    активность и самостоятельность при выполнении лабораторных работ;
    
  • 
    оформление отчета и защита лабораторной работы;
    
• 
  работа на практических занятиях — 10%:
  
  • 
    результаты освоения устройства и принципов работы экспериментального оборудования, а также методик определения характеристик физико-механических свойств материалов;
    
  • 
    активность при выполнении практических работ и обсуждении их результатов;
    
  • 
    защита теоретической и практической частей работы.
    
• 
  контрольная работа — 10%:
  
  • 
    письменная работа;
    
• 
  коллоквиум — 10%:
  
  • 
    устные ответы на вопросы, заданные преподавателем;
    
• 
  реферат — 10%:
  
  • 
    полнота раскрытия темы;
    
  • 
    оформление (электронный и бумажный вариант);
    
  • 
    защита теоретической части реферата.
    

---

– зачет — 50%:

• 
  устные ответы (с подготовкой) на вопросы по темам курса. полнота и содержательность ответов на вопросы;
  

II. Тематический план учебной дисциплины

№№	Название темы	Лекции (час.)	Лабораторные работы (час.)	Практические занятия (час.)	Самостоятельная работа (час.)
11	Общая характеристика материалов для микро- и наносистемной техники	2	-	-	2
22	Электрические свойства материалов	8	4	-	8
33	Магнитные свойства материалов	8	8	-	8
44	Тепловые свойства материалов	6	-	-	6
55	Механические свойства материалов	12	6	4	12
	Всего	36	18	18	36

III. Содержание программы

Тема 1. Общая характеристика материалов для микро- и наносистемной техники

Конструкционные материалы для несущих конструкций изделий микро- и наносистемной техники. Материалы, выполняющие функции источников энергии и механизмов ее передачи, сенсорных и активирующих сред и др. (функциональные материалы микро- и наносистемной техники). Материаловедческие проблемы в создании микро- и наносистемных устройств. Роль размерных эффектов и поверхностей раздела в физико-механических свойствах наноматериалов. Перспективы создания эффективных миниатюрных и сверхминиатюрвых систем, обусловленные особыми физико-механическими свойствами наноматериалов.

---

Тема 2. Электрические свойства материалов

Основные характеристики электрических свойств материалов. Основы зонной теории твердых тел и деление веществ на металлы, полупроводники и диэлектрики. Удельная электропроводность и удельное электросопротивление металлов, полупроводников и диэлектриков. Удельная электропроводность полупроводников. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Донорные и акцепторные уровни. Полупроводники n- и p-типов. Собственные и примесные посители. Основные и неосновные носители. Зависимость удельной электропроводности полупроводников от температуры. P-n переход. Проводниковые и резистивные материалы. Суперионные проводники и их использование для ячеек с памятью объемом более 5 Гбит, источников питания для микроэлектромеханических систем (МЭМС), пленочных сенсоров. Зависимость удельного сопротивления и удельной электропроводности материалов от различных факторов (температуры, концентрации структурных дефектов, наклепа, отжига и т.д.). Электрические свойства тонких металлических пленок. Фононы. Температура Дебая. Рост сопротивления при низких температурах в металлах с магнитными примесями и квантовых точках (эффект Кондо). Низкотемпературная сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы. Основные свойства сверхпроводников. Эффект Мейснера. Вихри Абрикосова. Сверхпроводники I и II рода. Эффект Джозефсона. Зависимость сверхпроводящих характеристик от размера кристаллов. Уменьшение критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние при переходе в диапазон нанометровых размеров. Высокотемпературная сверхпроводимость.

Контактная разность потенциалов, термоэлектродвижущая сила. Пьезорезистивный эффект и его использование в изделиях микросистемной техники.

Взаимосвязь электрических характеристик и диаграммы состояния сплава.

Электрические свойства наноматериалов.

Тема 3. Магнитные свойства материалов

Основные характеристики магнитных свойств материалов. Классификация материалов по магнитным свойствам. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, их характеристики. Правило Ленца. Антиферромагнитные материалы, ферримагнетики. Ферриты. Обменные силы. Спиновые волны.

Доменная структура ферромагнетиков. Магнитная анизотропия. Намагничивание и перемагничивание ферромагнетиков. Петля гистерезиса. Остаточная магнитная индукция, коэрцитивная сила. Потери на гистерезис. Магнитные свойства материалов в переменных полях. Вихревые токи. Скин-эффект. Зависимость магнитных свойств от температуры. Точка Кюри. Магнитострикционный эффект. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы.

---

Ферромагнитные характеристики наноматериалов. Суперпарамагнетизм наноструктур. Эффект гигантского магнитосопротивления в многослойных структурах из сверхтонких нанометровых ферромагнитных и диамагнитных слоев и его использование при разработке сред для сверхтонкой записи информации и магнитных считывающих устройств. Эффект туннелирования магнитного момента в сверхмалых ферромагнитных частицах, и перспективы его использования для разработки элементной базы квантовых компьютеров.

Тема 4. Тепловые свойства материалов

Общие сведения о важнейших теплофизических параметрах твердых тел. Теплоемкость. Закон Дюлонга и Пти. Теории теплоемкости – Эйнштейна и Дебая. Нулевая энергия решетки. Решеточная теплоемкость. Электронная теплоемкость. Фононы и их свойства. Теплоемкость металлов и диэлектриков. Закон Видемана-Франца. Теплоемкость сплавов. Изменение теплоемкости при фазовых и структурных превращениях. Методы калориметрического и термического анализов. Испарение материалов в вакууме. Теплота (энтальпия) испарения. Адсорбция и десорбция. Тепловое расширение. Термодинамика теплового расширения. Анизотропия расширения. Оценки коэффициента теплового расширения. Закон Грюнайзена. Теплопроводность, основные определения и зависимости. Теплопроводность металлов и сплавов. Теплопроводность диэлектриков. Методы измерения теплопроводности. Температуропроводность, коэффициент температуропроводности. Сплавы с регламентируемым температурным коэффициентом линейного расширения. Тепловые свойства наноструктур.

Тема 5. Механические свойства материалов

5.1. Механические характеристики материалов и методы их определения. Основные механические характеристики материалов - предел пропорциональности, предел упругости, предел прочности, относительное удлинение, поперечное сужение, ударная вязкость и др. Диаграмма «напряжение – деформация». Методы определения механических характеристик материалов при статических и динамических испытаниях.Методы определения механических характеристик миниатюрных образцов. Предел текучести и влияние на него различных факторов.

5.2. Упругие и релаксационные свойства материалов. Упругость, модули упругости. Закон Гука. Тензоры напряжения и деформации. Влияние различных факторов на модули упругости. Релаксационные свойства - упругое последействие и релаксация напряжений. Внутреннее трение - амплитуднозависимое и амплитуднонезависимое. Пик Бордони. Упругие свойства наноматериалов.

---

Смотрите также файлы

• Лекция Тема. Геодезические сети.doc

• Отчет о прохождении учебной практики по модулю пм 02 Организационная и управленческая деятельность Студента.odt

• Лабораторная работа 2 по учебному курсу Пожарная безопасность.docx

• Задание для курсовой работы 2 Транспортная задача Образец постановки задачи.docx

• .docx