05.16.08 – нанотехнологии и наноматериалы, техн., физ.-мат.

Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 27 января 2020 г. № 17
 

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОГРАММЫ-МИНИМУМА

Целью программы является формулирование требований к содержанию и объему знаний соискателя ученой степени о физико-химических, биомедицинских и экологических аспектах нанотехнологий, методах создания низкоразмерных систем и наноматериалов (наноструктурированных материалов, наноструктур), свойствах наноматериалов в условиях механических, электрических, оптических, магнитных, термических и химических воздействий; о влиянии технологических условий получения наноматериалов на их химический состав, структуру и свойства, использовании нанотехнологий и наноматериалов в науке и технике для эффективной научно-исследовательской и научно-педагогической работы, а также на производстве по специальности 05.16.08 – нанотехнологии и наноматериалы.

 

Задачи, обеспечивающие достижение этой цели, включают изучение следующих основных разделов программы:

  • Физика низкоразмерных систем;
  • Физико-химические основы нанотехнологий;
  • Технологии изготовления наноматериалов и изделий из них;
  • Материаловедение наноматериалов;
  • Методы анализа наноматериалов;
  • Ипользование нанотехнологий и наноматериалов в металлургии, машиностроении, электронике и фотонике.
  • Технологии хранения и эксплуатации наноматериалов и изделий из них с учетом их токсичности и биосовместимости.

 

В основу программы положены следующие дисциплины: «Физика конденсированного состояния», «Физика полупроводников», «Физика низкоразмерных систем», «Физическая химия», «Квантовая химия», «Химия твердого тела», «Неорганическая химия», «Коллоидная химия», «Наноэлектроника», «Нанофотоника», «Спинтроника», «Кристаллография», «Материаловедение и технология материалов», «Физика металлов и методы анализа», «Термическая и химико-термическая обработка», «Физика прочности и механические свойства материалов», «Общая металлургия», «Машиностроение», «Обработка поверхности».

 

Требования, предъявляемые к уровню знаний аспиранта (соискателя)

Экзаменуемый должен продемонстрировать системные знания в области теории и технологии формирования наноматериалов и наноструктур,  методов исследования их химического состава, структуры (строения) и свойств, а также практического использования наноматериалов и изделий из них.

 

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Ключевые слова: Атомные кластеры, тонкие порошки и пленки, нанокомпозиты, гетероструктуры, квантовые точки и нити, шнуры, стержни, квантовые ямы, сверхрешетки, низкоразмерные системы, коллоидные растворы и частицы, процессы самоорганизации и самосборки, методы получения наноструктур, методы исследования свойств наноструктур, размерные эффекты в свойствах наноструктур, применение наноструктур.

 

Введение

Основные понятия. Нанотехнологии. Принципы классификации наноматериалов. Атомные кластеры. Тонкие порошки и пленки. Защитные покрытия. Нанокомпозиты. Полупроводниковые гетероструктуры. Роль нанотехнологий и наноматериалов в науке и технике.

 

Физика низкоразмерных систем (физико-математические науки)

Квазичастицы в физике конденсированного состояния: электроны, дырки, фононы, экситоны, плазмоны, магноны. Классификация низкоразмерных систем (наноструктур) по проявлению пространственного ограничения на «свободное» движение в них квазичастиц. Квантовые точки, нити, шнуры, стержни. Квантовые ямы и сверхрешетки. Люминесценция низкоразмерных систем. Баллистический перенос и туннелирование электронов. Методы моделирования параметров низкоразмерных структур. Механические, электрические, оптические и магнитные свойства наноструктур.

 

Физико-химические основы нанотехнологий (физико-математические науки)

Агрегатные состояния веществ. Характеристические термодинамические функции: энтальпия, энтропия, свободная энергия Гельмгольца и Гиббса. Критерии направленности процессов в закрытых и открытых термодинамических системах. Химический потенциал. Уровень Ферми для электронов. Уравнения состояния.

Термодинамика и кинетика электрохимических процессов. Электрическая поляризация и деполяризация наноматериалов. Намагничивание и размагничивание наноматериалов. Фазовые переходы и равновесия. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса, закон Нернста–Шилова, правило фаз Гиббса. Диаграммы состояния однокомпонентных систем. Диаграммы состояния бинарных систем с образованием химических соединений и твердых растворов. Коррозионные процессы.

Коллоидное состояние вещества. Дисперсные системы. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы. Мицеллообразование в водных растворах. Физическая и химическая адсорбция. Поверхностно-активные вещества.

 

Процессы и технологии изготовления наноматериалов, наноструктур и изделий из них (технические науки)

Методы получения наноструктурированных и наноразмерных порошков: испарение и конденсация паров, высокоэнергетический синтез (плазмохимический, детонационный), осаждение из растворов (золь-гель метод, гидротермальный синтез, микроэмульсионный метод, криохимический метод), пиролиз, лазерное испарение материалов, электроразрядные методы, электрический взрыв проводников, механохимический синтез, дезинтеграция, термоциклирование вблизи температуры структурных фазовых переходов. Технологии перемешивания и гомогенизации систем с нанодисперсными частицами.

Получение компактных наноматериалов (консолидация нанопорошков, затвердевание и кристаллизация расплавов, формирование наноструктур на подложках, интенсивная пластическая деформация). Модифицирование поверхности материалов (облучение материалов ускоренными частицами, термическая и термомеханическая обработка). Получение нанопористых материалов.

Химическое осаждение материалов из газовой фазы. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Жидкофазная и твердофазная эпитаксии. Электронно-лучевая литография. Нанопечать. Атомная инженерия. Локальное зондовое окисление материалов. Самосборка молекул на поверхности твердого тела. Самоорганизация атомов примесей в материалах. Золь-гель технология. Самоорганизация атомов при эпитаксии. Технология формирования пленок Ленгмюра-Блоджет.

 

Материаловедение низкоразмерных систем и наноструктур (технические и физико-математические науки)

Атомно-молекулярное строение низкоразмерных систем (фуллерены, углеродные нанотрубки, графен). Супрамолекулярные структуры. Физика и химия поверхности материалов. Границы раздела фаз. Границы зерен (кристаллитов) в поликристаллах. Двойники. Тройные стыки зерен (кристаллитов). Композиты, керамики, полимеры. Пористые материалы, пены. Металлические стекла. Метаматериалы. Фотонные кристаллы. Проявление размерных эффектов в свойствах наноматериалов. Элементы теории прочности, упругости, пластичности (наноматериалов и изделий из них).

 

Методы анализа наноматериалов (технические и физико-математические науки)

Методы определения удельной поверхности (метод низкотемпературной адсорбции газа наноматериалами).

Рентгеноструктурный анализ. Электронная микроскопия. Оптическая спектроскопия. Магниторезонансная спектроскопия. Импедансная спектроскопия. Мессбауэровская спектроскопия. Оже- спектроскопия. Масс-спектроскопия.

Сканирующие зондовые методы исследования наноматериалов. Наноиндентирование. Термические методы анализа наноматериалов (дифференциальный термический анализ, термогравиметрический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия).

Механические, электрические, магнитные, оптические и акустические методы исследования наноматериалов.

 

Использование нанотехнологий и наноматериалов в технике (технические науки)

Использование нанотехнологий при производстве конструкционных, инструментальных, триботехнических материалов, катализаторов и фильтров, нанесении покрытий. Использование нанодобавок при синтезе алмазов, нитридов бора и алюминия. Наноэлектромеханические системы. Магнитные наноматериалы. Функциональные материалы. Светоизлучающие приборные структуры на массивах коллоидных частицах.

Технологии хранения и эксплуатации наноструктур и наноматериалов с учетом их токсичности и биосовместимости (технические науки)

Стабильность и деградация свойств наноструктур, наноматериалов и изделий из них. Самовоспламеняемость и взрываемость ультрадисперсных порошков. Упаковка и хранение наноматериалов. Биомедицинские и экологические аспекты применения нанотехнологий и наноматериалов в технике.

 

Основная литература (физико-математические науки)

  1. Наноэлектроника: теория и практика / В.Е. Борисенко [и др.] , А.И. Воробьева, А.Л. Данилюк, Е.А. Уткина. – М.: Бином, 2013. – 366 с.
  2. Борисенко, В.Е. Спинтроника / В.Е. Борисенко, А.Л. Данилюк, Д.Б. Мигас. – М. : Лаборатория знаний, 2017. – 229 с.
  3. Эткинс, П. Физическая химия: в 3 ч. / П. Эткинс, Дж. де Паула. – М.: Мир, 2007. – 496 с.
  4. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия / Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина. – М.: Высшая школа, 2007. – 444 с.
  5. Старостин, В.В. Материалы и методы нанотехнологий: учеб. пособие / В.В. Старостин; под ред. Л.Н. Патрикеева. – 2-е изд. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2016. – 431 с.
  6. Неволин, В. Зондовые нанотехнологии в электронике / В. Неволин. – М.: Техносфера, 2005. – 174 с.
  7. Гаврилов, С.А. Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники: учеб. пособие / С.А. Гаврилов, А.Н. Белов. – 2-е изд. – М.: РИОР, ИНФРА-М, 2014. – 240 с.

 

Основная литература (технические науки)

  1. Витязь, П.А. Наноматериаловедение: учеб. пособие для студентов учреждений высш. образования по тех. специальностям / П.А. Витязь, Н.А. Свидунович, Д.В. Куис. – Минск: Вышэйшая школа, 2015. – 510 с.
  2. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. – М.: Физматлит, 2009. – 416 с.
  3. Суздалев, И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И.П. Суздалев. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с.
  4. Рыжонков, Д.И. Наноматериалы: учеб. пособие / Д.И. Рыжонков, В.В. Левина, Э.Л. Дзидзигури.– 2-е изд. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2017. – 365 с.
  5. Годымчук, А.Ю. Экология наноматериалов: учеб. пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 152200 «Наноинженерия» / А.Ю. Годымчук, Г.Г. Савельев, А.П. Зыкова. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2017. – 272 с.

 

Дополнительная литература (физико-математические науки)

  1. Borisenko, V.E. What is what in the nanoworld: A handbook on nanoscience and nanotechnology / V.E. Borisenko, S. Ossicini. – Weinheim: Wiley-VCH, 2012. – xiii+601 p.
  2. Springer handbook of nanotechnology / Ed. by B. Bhushan. – Berlin: Springer, 2017. – xl+1698 p.
  3. Gaponenko, S.V. Applied nanophotonics / S.V. Gaponenko, H.V. Demir. – Cambridge: Cambridge University Press, 2018. – xviii+434 p.
  4. Bandyopadhyay, S. Introduction to spintronics / S. Bandyopadhyay, M. Cahay. – Boca Raton: CRC Press, 2008. – xviii+506 p.
  5. Guo, Zh. Fundamentals and applications of nanomaterials / Zh. Guo, L. Tan. – Boston: Artech House, 2009. – xviii+249 р.
  6. Cao, G. Nanostructures and nanomaterials: synthesis, properties and applications / G. Cao, Y. Wang. – Singapore: World Scientific, 2011. – xiv+581 p.

 

Дополнительная литература (технические науки)

  1. Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур [Электронный ресурс]: учеб. пособие / А.А. Барыбин [и др.] , В.А. Бахтина, В.И. Томилин, Н.П. Томилина. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – 236 с.
  2. Рудской, А.И. Наноструктурированные металлические материалы [Электронный ресурс] / А.И. Рудской; С.-Петерб. гос. политехн. ун-т. – СПб.: Наука, 2011. – 270 с.
  3. Наноалмазы детонационного синтеза: получение и применение / П.А. Витязь [и др.]; под общ. ред. П. А. Витязя. – Минск: Беларуская навука, 2013. – 381 с.
  4. Панин, В.Е. Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий [Электронный ресурс]: учеб. пособие / В.Е. Панин, В.П. Сергеев, А.В. Панин; Томский политехн. ун-т. – 2-е изд. – Томск: Изд-во ТПУ, 2013. – 253 с.
  5. Дисперсно-наполненные полимерные нанокомпозиты [Электронный ресурс] / Г.В. Козлов [и др.] , Г.Е. Заиков, О.В. Стоянов, А.М. Кочнев. – Казань: КНИТУ, 2012. – 125 с.
  6. Фуллерены – основа материалов будущего / В.И. Трефилов [и др.]. – Киев: АДЕФ-Украина, 2001. – 147 с.
  7. Харрис, П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века / П. Харрис. – М.: Техносфера, 2003. – 336 с.
  8. Романенков, В.Е. Физико-химические основы гидратационного твердения порошковых сред / В.Е. Романенков, Е.Е. Петюшик. – Минск: Беларус. навука, 2012. – 197 с.