shkolakz.ru 1
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования


«МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»


ПРОГРАММА



для аспирантов


по дисциплине

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР»

по специальностям

01.04.05 (оптика) и 01.04.03 (радиофизика)


Москва 2007 г.

Пояснительная записка



Изучение данной дисциплины ориентирует слушателей на научно-исследовательский вид профессиональной деятельности и способствует решению таких задач профессиональной деятельности, как:

  • повышение уровня общенаучной и специальной подготовки научно-исследовательских кадров;

  • развитие умений и навыков самостоятельного проведения научных исследований по приоритетным направлениям развития современной мировой и отечественной науки;

  • постановка и анализ задач, возникающих в ходе научных исследований, выбор адекватных методов исследования;

  • модификация существующих и разработка новых методов исследования, исходя из специфики поставленных задач;

  • освоение новых теорий и моделей, требующих углубленных профессиональных знаний;

  • способность к интеграции достижений дисциплин естественно-научного цикла при решении поставленных задач, а также комплексное применение результатов исследований в различных областях науки и производства.

Целью дисциплины «Электрические и оптические свойства квантово-размерных структур» является:

  • изучение фундаментальных основ физических явлений в нано- и микро- структурах, методов создания наноструктур;

  • демонстрация качественных изменений явлений при переходе от макроскопических объектов исследования к микро- и наномиру;
  • знакомство с основными перспективными направлениями практического использования объектов нанометрового масштаба;


  • понимание неразрывной связи фундаментальных и прикладных исследований;

  • изучение закономерностей излучения и поглощения света атомами и молекулами вещества;

  • ознакомление с современными методами лазерной спектроскопии.

Задачи дисциплины «Электрические и оптические свойства квантово-размерных структур»:

- дать слушателям представления о качественно новых свойствах физических систем, размеры которых менее 10 нм;

- представить обзор современного состояния технологии квантово-размерных структур с рассмотрением наиболее перспективных методов;

- сформировать умения применять полученные знания к различным областям курса физики;

- дать представление о современных методах исследования вещества на основе взаимодействия когерентного излучения с атомными и молекулярными системами.

Изучив дисциплину, аспирант должен:

  • знать:

- основные понятия и методы дисциплины;

- общую структуру и базисные элементы теории;

- применение основных принципов и законов;

  • уметь:

- применять принципы, законы для анализа конкретных физических процессов и явлений;

  • владеть навыками:

- использования аппарата дисциплины для решения задач, тематика которых соответствует содержанию курса;

- работы с научной и научно-популярной литературой с целью непрерывного самообразования.

При изучении данной дисциплины много внимания уделяется самостоятельной работе аспирантов, которая предполагает подготовку докладов и реферативных обзоров по выбранной теме.

Завершается изучение дисциплины зачетным мероприятием.


Объем дисциплины и виды учебной работы

Виды учебной работы


Объем дисциплины (час.)




Аудиторные занятия, в том числе:

лекции

практические занятия

лабораторные работы


72

-

-

Самостоятельная работа:

рефераты, доклады, обзоры

72

Общая трудоемкость

144


Семестры и вид отчетности по дисциплине


Семестр

Вид отчетности

(контрольная работа, зачет, экзамен)

1

Реферат

2

Зачет, реферат



Содержание дисциплины


1. Разделы дисциплины и виды занятий

п\п

Разделы дисциплины

Всего часов

Количес-тво часов

Лекции


1-

Размерное квантование и квантово-размерные структуры

4


4

2

Технологии квантово-размерных структур

4

4

3

Свободные и связанные носители в наноструктурах

8

8

4

Квантовый эффект Холла

4

4

5

Применение квантово-размерных структур в приборах микро- и нано- электроники

16

16

6

Взаимодействие атома с электромагнитным полем

8

8

7

Оптические уравнения Блоха

8

8

8

Оптические полосы примесного центра в кристаллических средах

8

8

9

Оптические полосы примесного центра в аморфных средах

6

6

10

Оптическая полоса примесного центра и сигналы неэкспоненциального фотонного эха

6

6

2. Содержание разделов дисциплины 1- 10


  1. Размерное квантование и квантово-размерные структуры

    1. Принципы размерного квантования.

    2. Условия наблюдения квантово-размерных эффектов.

    3. Структуры с двумерным электронным газом.

    4. Квантовые нити.

    5. Квантовые точки.

    6. Структуры с вертикальным переносом.




  1. Технологии квантово-размерных структур

    1. Проблемы технологии квантово-размерных структур.

    2. Метод молекулярно лучевой эпитаксии.

    3. Газофазная эпитакция.

    4. Методы нанолитографии.

    5. Самоорганизация квантовых точек и нитей.

      1. Режимы роста гетероэпитаксиальных структур.

      2. Рост наноструктур на фасетированных поверхностях.

      3. Трехмерные массивы когерентно-напряженных островков.

      4. Поверхностные структуры плоских упругих доменов.

      5. Нанотехнологии.




  1. Свободные и связанные носители в наноструктурах

    1. Плотность состояний в наноструктурах пониженной размерности.

    2. Статистика носителей в низкоразмерных структурах.

    3. Примесные состояния и экситоны низкоразмерных структурах.

    4. Межзонное поглощение.

    5. Межуровневые переходы.

    6. Оптическая ионизация квантовых ям.

    7. Эффекты деполяризации.

    8. Время релаксации и подвижность.

    9. Механизмы рассеяния.

    10. Межуровневое рассеяние.

    11. Баллистический транспорт.

    12. Вертикальный перенос в системе квантовых ям.

    13. Баллистическая проводимость нитей.

    14. Кулоновская блокада.




  1. Квантовый эффект Холла
    1. Энергетический спектр и плотность состояний двумерных систем в магнитном поле.


    2. Кинетические явления в сильных магнитных полях.

    3. Целочисленный квантовый эффект Холла (КЭХ).

    4. Эффекты локализации и их роль в КЭХ.

    5. Дробный КЭХ.




  1. Применение квантово-размерных структур в приборах микро- и нано- электроники

    1. Лазеры с квантовыми ямами и точками.

    2. Оптические модуляторы.

    3. Фоточувствительные структуры.

    4. Фотоприемники на квантовых ямах.

    5. Лавинные фотодиоды.

    6. Транзисторы с высокой подвижностью носителей.

    7. Транзисторы на горячих электронах.

    8. Резонансно-туннельный транзистор на квантовой точке.

    9. Одноэлектронный транзистор.

    10. Устройства на основе одноэлектронных транзисторов.




  1. Взаимодействие атома с электромагнитным полем

6.1. Гамильтониан системы атом и электромагнитное поле. Электромагнитное поле как совокупность гармонических осцилляторов. Оператор взаимодействия электромагнитного поля и атома.

6.2. Матричные элементы оператора взаимодействия. Вычисление вероятностей перехода между квантовыми состояниями.

6.3. Испускание света атомом. Флуоресценция. Форма линии флуоресценции. Радиационное время жизни.

    1. Поглощение света атомом. Оптическая нутация. Вынужденные и спонтанные переходы, связь между ними.




  1. Оптические уравнения Блоха

    1. Взаимодействие двухуровневой системы с электрическим полем. Матрица плотности системы. Дифференциальные уравнения для элементов матрицы плотности.
    2. Оптические уравнения Блоха. Энергетическая и фазовая релаксация. Релаксационные константы. Связь времени фазовой релаксации с полушириной однородной полосы.


    3. Методы измерения фазовой релаксации.

    4. Экспоненциальное фотонное эхо. Связь между функцией однородной полосы и сигналом фотонного эха.




  1. Оптические полосы примесного центра в кристаллических средах

    1. Неоднородное и однородное уширение оптических спектров примесных центров. Электронно-колебательное взаимодействие.

    2. Адиабатическое приближение. Линейное и квадратичное франк-кондоновское взаимодействия. Герцберг-теллеровское взаимодействие.

    3. Форма однородной оптической полосы примесного центра. Бесфононная линия (БФЛ) и фононное крыло (ФК).

    4. Температурное уширение бесфононной линии. Нарушение зеркальной симметрии сопряженных полос. «Незеркальность по форме» и «незеркальность по интенсивности».




  1. Оптические полосы примесного центра в аморфных средах

9.1. Взаимодействие оптических электронов примеси с туннельными степенями свободы. Электрон-туннелонное взаимодействие.

9.2. Уширение и сдвиг БФЛ в спектре поглощения. БФЛ флуоресценции. Резонансность БФЛ спектра поглощения и флуоресценции.

9.3. Резонансная и нерезонансная флуоресценция.


10. Оптическая полоса примесного центра и сигналы неэкспоненциального фотонного эха

10.1. Неэкспоненциальное фотонное эхо.

10.2. Форма однородной оптической полосы поглощения примесного центра и сигналы фотонного эха при различных типах электрон-фононного взаимодействия.

10.3. Связь между формой однородной оптической полосой и сигналами фотонного эха.


Учебно-методическое обеспечение дисциплины.


Рекомендуемая литература.

ОСНОВНАЯ:
  1. А. Я. Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков. Физика низкоразмерных систем, Санкт-Петербург, «Наука», 2001.


  2. Ч. Пул, Ф. Оуэнс. Нанотехнологии, М. Техносфера, 2006.

  3. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, тт. 3,4. Москва, «Наука». 2001-2003.


ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:

  1. В. Я. Демиховский. Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое?, Соросовский образовательный журнал, 1997, №5, с. 80.

  2. Т. Андо, А. Фаулер, Ф. Стерн, Электронные свойства двумерных систем, М. «Мир», 1985.

  3. Н. Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин и др., Гетероструктуры с квантовыми точками, получение, свойства, лазеры, ФТП, т.32, с.385.

  4. С.В. Зайцев, Н.Ю. Гордеев, В.И. Копчатов и др., Лазеры на квантовых точках: основные компоненты пороговой плотности тока, ФТП, 1997, т.31, с. 1106.

  5. Квантовый эффект Холла. Сборник статей, М., «Наука», 1989.

  6. А.С. Давыдов. Квантовая механика. Москва, «Наука». 1973.

  7. Л. Аллен, Дж. Эберли. Оптический резонанс и двухуровневые атомы». Москва, И.Л. 1978.

  8. У. Флайгер. Строение и динамика молекул, тт. 1,2. Москва, «Мир». 1982.

  9. Спектроскопия и динамика возбуждений в конденсированных молекулярных системах. Под ред. В.Н. Аграновича и Р.М. Хохштрассера. Москва, «Наука». 1987.

  10. И.С. Осадько. Селективная спектроскопия одиночных молекул. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2000.


Материально-техническое обеспечение дисциплины.

При изучении курса могут использоваться компьютеры, проекционная видеотехника и иные технические средства обучения. Поэтому занятия желательно проводить в соответствующим образом оборудованных аудиториях. Для подготовки методических (в том числе раздаточных) материалов кафедры должны быть оснащены средствами множительной, компьютерной техники и иной оргтехникой.

При проведении занятий будет использовано измерительное, криогенное и технологическое оборудование Учебно-научного радиофизического центра. В том числе установка плазмохимического травления Corial 200R, установка электронно-лучевого распыления BAK 501 (Evatec), поставленные в 2007 году, и сканирующий электронный микроскоп JEOL JSM6380. А также приобретаемые в 2008 г. в рамках Инновационной Образовательной Программы:


Комплект оборудования для микроскопических исследований: Замкнутый контур водяного охлаждения и устройство для измерения тока пучка растрового электронного микроскопа JSM-6380; Оптический микроскоп Nicon LV 100D;

Двухступенчатая линия для получения сверхчистой воды с низким содержанием общего органического углерода;

Турбомолекулярный насос;

Криорефрижератор с криостатом и турбомолекулярной автоматической вакуумной станцией;

Устройства для сборки микросхем: Установка совмещения, Установка ультразвуковой сварки;

Комплект лабораторного оборудования: Анализатор цепей Осциллограф, Весы аналитические электронные, Весы аналитические механические; Лазер волоконный.

Комплект волоконно-оптических узлов;

Комплект радиоизмерительной аппаратуры: Осциллографы, Диэлектрический спектрометр высокого разрешения;

Фрезерный станок


Требования к кадровому обеспечению преподаваемой дисциплины

Лекции читают доктора и кандидаты физико-математических наук, профессора и доценты, ведущие научную работу по данным специальностям (01.04.05 и 01.04.03). Практические занятия, включающие знакомство с современными физическими установками и методиками, могут проводить специалисты в данной узкой области.


Темы рефератов для текущего и итогового контроля.


  1. Размерное квантование: дву-, одно- и нуль- мерные системы.

  2. Технологии квантово-размерных структур.

  3. Электрические и оптические свойства наноструктур.

  4. Квантовый эффект Холла.

  5. Приборы на основе квантово-размерных структур (по выбору)

6. Неоднородное и однородное уширение оптических спектров примесных центров. Адиабатическое приближение.

7. Сигналы фотонного эха. Связь амплитуды эхо сигнала с функцией формы однородной оптической полосы.

8. Взаимодействие оптических электронов примеси с туннельными степенями свободы в аморфных средах. Электрон-туннелонное взаимодействие.


Методические рекомендации для преподавателей

Данная дисциплина играет важную роль в развитии целостных представлений аспирантов о методах и способах научного познания, представлений о современных разделах физической теории и современной физической картине мира.

Программой предусмотрено как изучение традиционных вопросов, входящих в данный курс, так и специфических вопросов, которые отвечают подготовке специалистов по данной тематике. При изложении материала следует опираться на основные понятия, теоремы, законы и определения, известные аспирантам из курса общей и теоретической физики.

Основные положения и законы в процессе их изучения необходимо сопровождать рассмотрением конкретных приложений, что позволит глубже понять суть фундаментальных законов и суть используемых методов познания.

По усмотрению кафедр, возможно изменение последовательности материала в рамках отдельных разделов. В случае необходимости, связанной с изменением структуры изложения, некоторые вопросы программы могут быть опущены.


Методические рекомендации для аспирантов

При изучении данной дисциплины большое время отводится на самостоятельную работу аспирантов. При этом кроме рекомендуемой литературы предлагается использовать материалы, представленные в сети Internet.


Авторы программы:

Мельников Андрей Петрович,

профессор КОЭФ, д. ф. -м. наук ___________


Гурвич Юрий Александрович,

профессор КОЭФ, д. ф. -м. наук ___________


Коротаев Олег Николаевич,

заведующий КТФ, д.ф.-м. наук __________


Михайлов Михаил Анатольевич,

доцент, к.ф.-м. наук __________