2

1. Цели освоения дисциплины «Введение в нанотехнологии»

Цель освоения дисциплины ознакомление с основами нанотехнологий, их

возможностями и перспективами применения в различных сферах деятельности человека.

Нанотехнологии относят к классу так называемых высоких технологий и их применение

позволяет не только интенсифицировать производство тех или иных изделий, но и

совершить скачок в технологических параметрах и качестве приборов. Поэтому важность

изучения таких вопросов при подготовке бакалавра очевидна.

2. Место дисциплины «Введение в нанотехнологии» в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина предлагается для свободного выбора студентами по данному профилю,

базируется на результатах изучения дисциплин естественно-научного цикла, в том числе

математики, физики, химии, информатики. Для успешного усвоения дисциплины студент

должен

знать:

- основные понятия и методы математического анализа, линейной алгебры, дискретной

математики, теории дифференциальных уравнений и элементов теории уравнений

математической физики, теории вероятностей и математической статистики,

математических методов решения профессиональных задач;

- технические и программные средства реализации информационных технологий, основы

работы в локальных и глобальных сетях, типовые численные методы решения

математических задач и алгоритмы их реализации, один из языков программирования

высокого уровня;

- законы Ньютона и законы сохранения, принципы специальной теории относительности

Эйнштейна, элементы общей теории относительности, элементы механики жидкостей,

законы термодинамики, статистические распределения, законы электростатики, природу

магнитного поля и поведение веществ в магнитном поле, законы электромагнитной

индукции, волновые процессы, геометрическую и волновую оптику, основы квантовой

механики, строение многоэлектронных атомов, квантовую статистику электронов

металлах и полупроводниках, строение ядра, классификацию элементарных частиц;

- электронное строение атомов и молекул, основы теории химической связи в соединениях

разных типов, строение вещества в конденсированном состоянии, основные

закономерности протекания химических процессов и характеристики равновесного

состояния, химические свойства элементов различных групп Периодической системы и их

важнейших соединений;

уметь:

- проводить анализ функций, решать основные задачи теории вероятности и

математической статистики, решать уравнения и системы дифференциальных уравнений

применительно к реальным процессам, применять математические методы при решении

типовых профессиональных задач;

- работать в качестве пользователя персонального компьютера, использовать внешние

носители информации для обмена данными между машинами, создавать резервные копии

и архивы данных и программ, использовать численные методы для решения

математических задач, использовать языки и системы программирования для решения

профессиональных задач, работать с программными средствами общего назначения;

- решать типовые задачи связанные с основными разделами физики, использовать

физические законы при анализе и решении проблем профессиональной деятельности;

- использовать основные химические законы, термодинамические справочные данные и

количественные соотношения неорганической химии для решения профессиональных

задач;

3

владеть:

- методами построения математической модели типовых профессиональных задач и

содержательной интерпретации полученных результатов;

- методами поиска и обмена информацией в глобальных и локальных компьютерных сетях,

техническими и программными средствами защиты информации при работе с

компьютерными системами;

- методами проведения физических измерений, методами корректной оценки погрешностей

при проведении физического эксперимента

- теоретическими методами описания свойств простых и сложных веществ на основе

электронного строения их атомов и положения в Периодической системе химических

элементов, экспериментальными методами определения физико-химических

неорганических

- соединений;

Освоение данной дисциплины как предшествующей необходимо при изучении

следующих дисциплин:

- Процессы микро и нанотехнологий.

- Наноэлетроника,

- Вакуумно-плазменные процессы и технологии,

- Корпускулярно-фотонные процессы и технологии.

-

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

«Введение в нанотехнологии»

- способностью выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в ходе

профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-

математический аппарат (ПК-2);

- способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-

техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения

отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);

- способностью собирать, анализировать и систематизировать отечественную и

зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области

электроники и наноэлектроники (ПК-18);

- способностью строить простейшие физические и математические модели

приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники

различного функционального назначения, а также использовать стандартные

программные средства их компьютерного моделирования (ПК-19); - способностью использовать знание свойств химических элементов, соединений и

материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности (ПК-33);

- способностью использовать знания основных физических теорий для решения

возникающих физических задач, самостоятельного приобретения физических знаний, для

понимания принципов работы приборов и устройств, в том числе выходящих за пределы

компетентности конкретного направления (ПК-34);

-

В результате освоения дисциплины «Введение в нанотехнологии» обучающийся должен

знать: роль и возможности интенсивных технологий в производстве материалов и

изделий твердотельной электроники и смежных областях техники; о классификации

объектов наномира и общих законах масштабирования физико-химических свойств веществ

при уменьшении количества (размеров) вещества; основы физики, физической химии и

квантовой механики твердого тела, определяющие специфические свойства объектов

наномира; теоретические основы физико-химических методов контроля структуры и

химических свойств наноразмерных объектов; физико-химические свойства индивидуальных

4

наночастиц и наноструктурированных объемных материалов.

уметь: применять полученные знания при теоретическом анализе, компьютерном

моделировании и экспериментальном исследовании физических процессов, лежащих в

основе нанотехнологии изготовления современных приборов электроники; основные методы

получения наночастиц и наноструктур.

владеть: информацией об областях применения и перспективах развития

нанотехнологий; навыками анализа первичных экспериментальных данных исследования

структуры и физико-химических свойств наночастиц и нанообъектов с использованием

основных методов.

4. Структура дисциплины «Введение в нанотехнологии»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.

Вид учебной работы Всего

часов

Семестры

4 5 6 7

Аудиторные занятия (всего) 51 51

В том числе:

Лекции 17 17

Практические занятия (ПЗ) 34 34

Семинары (С) - -

Лабораторные работы (ЛР) - -

Самостоятельная работа (всего) 57 57

В том числе:

Курсовой проект (работа) - -

Расчетно-графические работы - -

Реферат или домашнее задание 23 23

Оформление отчетов по лабораторным работам - -

Подготовка к текущим занятиям, коллоквиумам 34 34

Подготовка к экзамену - -

Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) зач зач

Общая трудоемкость час

зач. ед.

108 108

3 3

5. Содержание дисциплины «Введение в нанотехнологии»

5.1. Содержание разделов дисциплины

Модуль 1. Что такое нанотехнологии? Общие понятия и термины. История развития

нанотехнологий. Технологические принципы «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Место

нанотехнологий в современной науке и технике.

Модуль 2. Физические основы нанотехнологий. Размерные эффекты и условия их

проявления. Квантовые структуры (точки, нити) и их особенности. Квантовые эффекты

(туннелирование, кулоновская блокада). Самосборка и самоорганизация нанообъектов.

Методы исследования наноматериалов и наноструктур (классические методы, сканирующие

зондовые микроскопы). Инструментальные методы сканирующей зондовой микроскопии.

Модуль 3. Наноматериалы и методы их получения. Наноструктурированные (в т.ч.

нанопористые) материалы. Тонкие пленки и гетероструктуры. Углеродные наноструктуры

(графен, нанотрубки, фуллерены). Нанокомпозиты и конструкционные материалы.

Органические и биоорганические наностуктуры.

Модуль 4. Применение наноматериалов и нанотехнологий. Нанотехнологии и

наноматериалы в машиностроении, транспорте, авиации, космической технике, химических

технологиях, электронике, информационных технологиях, медицине, экологии, сельском

хозяйстве, военном деле и т.д.

5

Модуль 5. Социально-экономические последствия и развитие нанотехнологий в

России и в мире. Социально-экономические последствия внедрения нанотехнологий в

отдельные сферы жизнедеятельности человека. Изменения в системе образования и

подготовки кадров. Проблемы коммерциализации нанотехнологий. Негативные последствия

использования нанотехнологий. Современное состояние и прогнозы развития

нанотехнологий в России и в мире.

5.2. Разделы дисциплины «Введение в нанотехнологии» и виды занятий

№

п/п

Наименование раздела дисциплины Лекц. Практ.

зан.

Лаб.

зан.

Сем СРС Все-

го

час.

1. Что такое нанотехнологии? 2 4 - - 8 14

2. Физические основы нанотехнологий 4 8 - - 12 24

3. Наноматериалы и методы их получения 4 8 - - 13 25

4. Применение наноматериалов и

нанотехнологий

4 8 - - 14 26

5. Социально-экономические последствия

и развитие нанотехнологий в России и в

мире.

3 6 10 19

6. Лабораторный практикум

Лабораторный практикум по данной дисциплине не предусмотрен.

7. Практические занятия (семинары)

Модуль 1. Что такое нанотехнологии? Чтение и обсуждение докладов по темам:

История развития нанотехнологий. Технологические принципы «сверху-вниз» и «снизу-

вверх». Место нанотехнологий в современной науке и технике.

Модуль 2. Физические основы нанотехнологий. Чтение и обсуждение докладов по

темам: Размерные эффекты и условия их проявления. Квантовые структуры (точки, нити) и

их особенности. Квантовые эффекты (туннелирование, кулоновская блокада). Самосборка и

самоорганизация нанообъектов. Методы исследования наноматериалов и наноструктур

(классические методы, сканирующие зондовые микроскопы). Инструментальные методы

сканирующей зондовой микроскопии.

Модуль 3. Наноматериалы и методы их получения. Чтение и обсуждение докладов

по темам: Наноструктурированные (в т.ч. нанопористые) материалы. Тонкие пленки и

гетероструктуры. Углеродные наноструктуры (графен, нанотрубки, фуллерены).

Нанокомпозиты и конструкционные материалы. Органические и биоорганические

наностуктуры.

Модуль 4. Применение наноматериалов и нанотехнологий. Чтение и обсуждение

докладов по темам: Нанотехнологии и наноматериалы в машиностроении, транспорте,

авиации, космической технике, химических технологиях, электронике, информационных

технологиях, медицине, экологии, сельском хозяйстве, военном деле и т.д.

Модуль 5. Социально-экономические последствия и развитие нанотехнологий в

России и в мире. Чтение и обсуждение докладов по темам: Социально-экономические

последствия внедрения нанотехнологий в отдельные сферы жизнедеятельности человека.

Изменения в системе образования и подготовки кадров. Проблемы коммерциализации

нанотехнологий. Негативные последствия использования нанотехнологий. Современное

состояние и прогнозы развития нанотехнологий в России и в мире.

8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)

6

Выполнение курсовых работ не планируется.

9. Образовательные технологии и методические рекомендации по организации

изучения дисциплины «Введение в нанотехнологии»

Чтение лекций по дисциплине «Введение в нанотехнологии» проводится с

использованием мультимедийных презентаций. Слайд-конспект курса лекций включает

более 200 слайдов. Презентация позволяет преподавателю четко структурировать материал

лекции, экономить время, затрачиваемое на рисование на доске схем, написание формул и

других сложных объектов, что дает возможность увеличить объем излагаемого материала.

Кроме того, презентация позволяет очень хорошо иллюстрировать лекцию не только

схемами и рисунками которые есть в учебном пособии, но и полноцветными фотографиями,

рисунками, портретами ученых и т.д. Электронная презентация позволяет отобразить

физические и химические процессы в динамике, что позволяет улучшить восприятие

материала. Студентам предоставляется возможность копирования презентаций для

самоподготовки и подготовки к экзамену. Поскольку лекции читаются для одной группы

студентов (20 – 25 чел.) непосредственно в аудитории контролируется усвоение материала

основной массой студентов путем тестирования по отдельным модулям дисциплины.При

работе в малоконтингентной группе, сформированной из достаточно успешных студентов,

целесообразно использовать диалоговую форму ведения лекций с использованием

элементов практических занятий, постановкой и решением проблемных задач и т.д. В рамках

лекционных занятий можно заслушать и обсудить подготовленные студентами рефераты.

Практические занятия по дисциплине «Введение в нанотехнологии» проводятся в

виде семинаров, предусматривающих обсуждение современного состояния и перспектив

развития и применения наноматериалов и нанотехнологий в различных сферах деятельности

человека, работу в активном диалоговом режиме, организацию интерактивного обсуждения

социально-экономических последствий развития нанотехнологий.

Внеаудиторной самостоятельная работа по дисциплине «Введение в нанотехнологии»

проводится в следующих формах:

- работа с электронным учебником, включая тестирование для самопроверки усвоенных

знаний

- подготовка и написание рефератов, докладов, очерков и других письменных работ на

заданные темы;

- выполнение домашних заданий разнообразного характера. Это - решение задач; подбор и

изучение литературных источников; подбор иллюстративного и описательного материала

по отдельным разделам курса в сети Интернет;

- выполнение индивидуальных заданий, направленных на развитие у студентов

самостоятельности и инициативы. Индивидуальное задание может получать как каждый

студент, так и часть студентов группы;

10. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной

аттестации по итогам освоения дисциплины «Введение в нанотехнологии» и учебно-

методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

Всего по текущей работе студент может набрать 100 баллов, в том числе:

- работа на практических занятиях – 40 баллов;

- рубежное тестирование по каждому модулю – всего 30 баллов;

- домашнее задание или реферат – 30 баллов.

Зачет проставляется автоматически, если студент набрал по текущей работе не менее

52 баллов. Минимальное количество баллов по каждому из видов текущей работы составляет

половину от максимального.

Примерные темы рефератов дисциплины «Введение в нанотехнологии»

1. Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше.

7

2. Развитие в России работ в области нанотехнологий.

3. Химические методы получения наночастиц.

4. "Самосборка" в нанотехнологиях.

5. Принципы манипуляции атомами и молекулами.

6. Электронные элементы на основе углеродных нанотрубок.

7. Нанокомпозиты и нанопористые материалы.

8. Биологические наномоторы.

9. Естественное наноструктурирование.

10. Одноэлектроника.

11. Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции.

Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного и

итогового контроля

Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного

тестирования. Комплект тестовых заданий по дисциплине состоит из 50 заданий – в

основном закрытого типа. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 20

заданий по каждому модулю и генерируется с помощью программы SunRav TestOfficePro.

Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание.

Вопросы для зачета дисциплине «Введение в нанотехнологии»

1. Особенности «наномира», терминология, направление развития. Классификация методов

исследования структуры и состава наноразмерных объектов.

2. Классические методы исследования структуры и состава вещества: рентгено-

структурный анализ; дифракция медленных электронов, просвечивающая электронная

микроскопия.

3. Классические методы исследования структуры и состава вещества: масспректрометрия,

фотоэлектронная и ренгеновская спектроскопия, Оже-спектроскопия, методы

магнитного резонанса ядер и электронов;

4. Сканирующая тунельная микроскопия;

5. Сканирующая атомно-силовая микроскопия; Колебательные методики атомно-силовой

микроскопии;

6. Электросиловая и Магнитносиловая сканирующая зондовая микроскопия;

7. Ближнепольная оптическая микроскопия;

8. Инструментальные методы зондовой микроскопии (процессы переноса атомов:

параллельные, перпендикулярные, контактный перенос, полевое испарение,

электромиграция);

9. Наноматериалы и нанохимия;

10. Углеродные наноструктуры (графен, нанотрубки, фуллерены);

11. Материалы с естественным и искусственным наноструктурированием. Нанопористые

материалы;

12. Саморегулирующиеся процессы (самоупорядочевание, самосборка);

13. LB-технология (метод вертикального осаждения, горизонтальный метод Шайфера);

14. Квантово-размерные структуры.

15. Резонансный туннельный диод. Лазер на квантовых точках. Одноэлектроника.

16. Квантовый компьютер.

11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:

а) основная литература:

1. Пул, Ч. Нанотехнологии : учеб. пособие для обучающихся по направлению подготовки

"Нанотехнологии" / Ч. Пул, Ф. Оуэнс ; пер. с англ. под ред. Ю. И. Головина. - Изд. 4-е,

испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. - 336 с. (25 экз.)

2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М.: Изд. Машиностроение, 2003, 112 с.

8

3. Меньшутина, Н. В. Введение в нанотехнологию / Н. В. Меньшутина. - Калуга : Изд-во

науч. лит. Бочкаревой Н. Ф., 2006. - 131 с. (50 экз.)

4. Гусев, А. И. Наноматериалы. Наноструктуры. Нанотехнологии. / А. И. Гусев. - Изд.2-е,

испр. - М. : ФИЗМАЛИТ, 2007. - 415 с. (100 экз.)

5. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: изд. Бином, 2005, 136с. (пер. с японского)

(20 экз.).

б) дополнительная литература:

1. Игнатов, А. Н. Классическая электроника и наноэлектроника: учеб. пособие для вузов по

направлению 210400 - "Телекоммуникации" / А. Н. Игнатов, Н. Е. Фадеева, В. Л. Савиных. -

М. : Флинта : Наука, 2009. - 727 с. (1 экз.)

2. Методы нанолитографии: достижения и перспективы: [моногр.] / Г. С. Константинова [и

др.]. - Ростов н/Д : Терра-принт, 2008. - 112 с. : ил. - Библиогр. : с. 110-111. (1 экз.)

3. Мартинес-Дуарт, Дж. М. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники / Мартинес-

Дуарт, Дж. М., Мартин-Палма, Р. Дж., Ф. Агулло-Руеда ; пер. с англ. А. В. Хачояна ; под ред.

Е. Б. Якимова. - Изд. 2-е, доп. - М. : Техносфера, 2009. - 368 с. (1 экз.)

4. Наноструктурные материалы / под ред. Р. Ханнинка, А. Хилл ; пер. с англ. А. А.

Шустикова, под ред. Н. И. Бауровой. - М. : Техносфера, 2009. - 488 с. (1 экз.)

5. Уильямс, Л. Нанотехнологии без тайн : путеводитель / Л. Уильямс, У. Адамс. - М. : Эксмо,

2009. - 365 с. : ил. - Библиогр. : с. 349-355. (1 экз.)

6. Рамбиди, Н. Г. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры / Н. Г. Рамбиди. - М. :

Физматлит, 2007. - 256 с. (1 экз.)

7. Лозовский, В. Н. Нанотехнология в электронике. Введение в специальность : учеб.

пособие для вузов по спец. 210601 - "Нанотехнология в электронике" / В. Н. Лозовский, Г. С.

Константинова, С. В. Лозовский. - СПб. [и др.] : Лань, 2008. - 328 с. (1 экз.)

в) программное обеспечение:

- Системные программные средства: Microsoft Windows XP, Microsoft Vista

- Прикладные программные средства: Microsoft Office 2007, Mozilla FireFox

- Специализированное программное обеспечение: СДО Moodle, SunRAV BookOffice Pro,

SunRAV TestOfficePro.

г) электронные учебные ресурсы:

- тренировочные и контрольные тесты по каждому модулю http://edu.isuct.ru в категории ТП

и МЭТ;

- Текст лекций с контрольными вопросами для самопроверки, задачами для практических

занятий и глоссарием в СДО ИГХТУ Moodle http://edu.isuct.ru категория ТП и МЭТ.

д) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

- база данных по наноматериалам и нанотехнологиям http://plasma.isact.ru (доступна только

из локальной сети университета).

12. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)

Лекции по дисциплине проводятся в аудитории, оснащенной видеопроектором.

Практические занятия проводятся в дисплейном классе кафедры (11 ПЭВМ типа Pentium4).

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом

рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.

Автор _________________________ (Ефремов А.М.)

Заведующий кафедрой ___________ (Рыбкин В.В.)

Рецензент (ы) ___________________