Функциональные наноматериалы

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

 

Направление подготовки

Химическая технология

Направленность образовательной программы

Химическая технология неорганических веществ

Профессиональный модуль

Химическая технология материалов и изделий электроники и наноэлектроники

 

ЛИСТ СОГЛАСОВАНИЯ

Должность	Подпись	Ученое звание, фамилия, инициалы
Разработчик		доцент А.А.Малков

 

Рабочая программа дисциплины «Функциональные наноматериалы» обсуждена на заседании кафедры химической нанотехнологии и материалов электронной техники
протокол от 02.12.2016 № 3
Заведующий кафедрой		А.А.Малыгин
Одобрено учебно-методической комиссией факультета химии веществ и материалов
протокол от               2016 №
Председатель		С.Г.Изотова

СОГЛАСОВАНО
Руководитель направления подготовки «Химическая технология» (неорганических веществ)		профессор А.А.Малыгин
Директор библиотеки		Т.Н.Старостенко
Начальник методического отдела учебно-методического управления		Т.И.Богданова
Начальник УМУ		С.Н.Денисенко

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине, соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы..………………….04

2. Место дисциплины (модуля) в структуре образовательной программы…..……...……..05

3. Объем дисциплины …………………………………………………………………..……...05

4. Содержание дисциплины……………………………………………………………..……..06

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий…………………………………………….06

4.2. Занятия лекционного типа………………………………………………………...06

4.3. Занятия семинарского типа………………………………………………………..08

4.3.1. Семинары, практические занятия …………………………………..…..08

4.3.2. Лабораторные занятия……………………………………………….…..09

4.4. Самостоятельная работа…………………………..……………………….....……10

4.5. Темы курсовых работ……………………………..……………………….....……11

5. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине..….....………………………………………………………...11

6. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации.…………………12

7. Перечень основной и дополнительной учебной литературы, необходимой для
освоения дисциплины...………………………………………………………………………12

8. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», необходимых для освоения дисциплины..….....……………………………….…………...14

9. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины….…..…………...14

10. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине.....……………………………….………….....15

10.1. Информационные технологии………………………………..………………….15

10.2. Программное обеспечение………...……………………………………………..15

10.3. Информационные справочные системы…………..…………………………….15

11. Материально-техническая база, необходимая для осуществления образовательного процесса по дисциплине.…………………………………………………………………….15

12. Особенности освоения дисциплины инвалидами и лицами с ограниченными возможностями здоровья..…………………………………………………………….……..16

Приложения: 1. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации….17

1. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине, соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы

Для получения планируемых результатов освоения образовательной программы магистратуры обучающийся в соответствии с ФГОС ВО по направлению "Химическая технология" (18.03.01) (Утв. Приказом Минобрнауки России от 11.08.2016 № 1005) должен овладеть следующими результатами обучения по дисциплине:

 

Коды компетенции	Результаты освоения ООП (содержание компетенций)	Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине
ОПК-3	Готовность использовать знания о строении вещества, природе хими­ческой связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире	Знать: – причины проявления особых свойств наноматериалов; ‑ причины физических и химических процессов, протекающих в материалах при их получении, обработке и модификации – современную классификацию нано­размерных объектов; ‑ основные классы наноразмерных систем, их принципиальные отличия от макрообъектов. Уметь: ‑ проводить диагностику наноразмер­ных материалов с использованием со­временных физико-химических методов; ‑ выявлять взаимосвязь микро- и нано­структуры и свойств материалов, их взаимодействии с окружающей средой, полями, частицами и излучениями. Владеть: ‑ способами регулирования их физико-химических свойств.
ПК-16	Способность планировать и прово­дить физические и химические эксперименты, проводить обработку их результатов и оценивать погреш­ности, выдвигать гипотезы и уста­навливать границы их применения, применять методы математического анализа и моделирования, теорети­ческого и экспериментального исследования	Знать: ‑ возможности различных методов синтеза наноматериалов; – основные методы получения и роль химических подходов при получении наночастиц и двумерных наноструктур. Уметь: ‑ проводить химические эксперименты и обработку полученных результатов. Владеть: ‑ основами химических методов полу­чения поверхностных наноструктур; – навыками обработки, анализа и интерпретации результатов исследо­вания наноматериалов.
ПК-18	Готовность использовать знание свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности	Знать: ‑ способы регулирования физико-хими­ческих свойств твердофазных нано­материалов различного генезиса; ‑ области применения наноматериалов. Уметь: ‑ формулировать круг практических задач, решаемых с помощью исполь­зования наноматериалов;. Владеть: – навыками методов получения различ­ных наноматериалов и поверхностных наноструктур.

 

2. Место дисциплины в структуре образовательной программы

Дисциплина относится к профессиональному модулю по выбору Б1.В.ДВ.03.03. «Химическая технология материалов и изделий электроники и наноэлектроники», является обязательной (Б1.В.ДВ.03.03.07.) и изучается на 4 курсе обучения в 8 семестре.

Изучение дисциплины базируется на знаниях и умениях, полученных при изучении курсов "Общая и неорганическая химия", "Физика", "Математика", "Прикладная механика", "Материаловедение", "Информатика", "Органическая химия", "Аналитическая химия", "Основы научных исследований", "Основы экологии", "Физическая химия", "Коллоидная химия", "Вакуумное оборудование в производстве электронной техники", "Физическая химия твердого тела", "Технология монокристаллов и особо чистых веществ", "Информационные технологии в твердотельном материаловедении", "Химические основы нанотехнологий", "Технологии материалов электронной техники", "Метрология, стандартизация и сертификация", а также в ходе учебной практики, практики по получению профессиональных умений и навыков профессиональной деятельности и технологической практики. Компетенции, приобретенные в результате освоения дисциплины, будут использованы при подготовке, выполнении и защите выпускной квалификационной работы, а также при решении научно-исследовательских, проектно-конструкторских, производственно-технологических задач

 

3. Объем дисциплины

Вид учебной работы	Всего, академических часов
	Очная форма обучения
Общая трудоемкость дисциплины (зачетных единиц / академических часов)	4 / 144
Контактная работа с преподавателем:	84
занятия лекционного типа	24
занятия семинарского типа, в т.ч.	48
семинары, практические занятия	24
лабораторные работы	24
курсовое проектирование (КР или КП)	‑
КСР	12
другие виды контактной работы	‑
Самостоятельная работа	60
Формы текущего контроля (Кр, реферат, РГР, эссе)	‑
Форма промежуточной аттестации (КР, КП, зачет, экзамен)	КР, зачет

4. Содержание дисциплины.

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий.

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Занятия лекционного типа, акад. часы	Занятия семинарского типа, академ. часы		Самостоятельная работа, акад. часы	Формируемые компетенции
			Семинары и/или практические занятия	Лабораторные работы
1	Введение. Основные определения и понятия	2	2		4	ОПК-3
2	Классификация наноматериалов по мерности и типу остова	2	2		4	ОПК-3
3	Свойства веществ в наноразмерном состоянии	4	4		10	ОПК-3
4	Нанокластеры, наночастицы	2	4	12	6	ОПК-3, ПК-16
5	Неорганические тубулярные наноструктуры и методы их синтеза	2	2		6	ПК-16
6	Двумерные наноматериалы	2	2		6	ПК-16
7	Углеродные наноматериалы	4	2		8	ОПК-3, ПК-16, 18
8	Трехмерные наноматериалы	2	2		6	ПК-18
9	Области применения функциональных наноматерилов	4	4	12	10	ПК-18

 

Занятия лекционного типа.

№ раздела дисциплины	Наименование темы и краткое содержание занятия	Объем, акад. часы	Иннова­ционная форма
1	Введение. Основные определения и понятия Предмет курса и его задачи. Введение: цель и содержание курса «Функциональные наноматериалы». Определение нанотехнологии, наноматериала, их принци­пиальные отличия от макрообъектов, эволюционное развитие представлений в области синтеза и применения низкоразмерных объектов, задачи технологии наномате­риалов, перспективные направления развития нанотехно­логии функциональных наноматериалов.	2	Лекция-беседа
2	Классификация наноматериалов по мерности и типу остова Современная классификации наноразмерных объектов, основанная на размерных параметрах и химической природе нанообъектов. Система добровольной сертификации продукции наноиндустрии «НАНОСЕРТИФИКА» ГК «Роснанотех», их основные специфические характерис­тики и различные методы их определения.	2	Лекция-беседа
3	Свойства веществ в наноразмерном состоянии Особенности свойств наноматериалов. Размерные эффекты. Параметры кристаллической решетки, термоди­намические, оптические, электронные, магнитные свойства, реакционная способность наносистем. Квантово-размерный эффект.	4	Лекция-беседа
4	Нанокластеры, наночастицы. Классическая теория зародышеобразования Методы синтеза кластеров. Структура и свойства кластеров. Маги­ческие числа. Теоретическая модель кластера Свойства кластеров.	2	Лекция-беседа
5	Неорганические тубулярные наноструктуры и методы их синтеза. Неорганические одномерные наноструктуры (MX2, BN, SiO2, TiO2, многокомпонентные). Подходы к синтезу неорганических нанотрубок. Зонная структура гетеропе­рехода нанотрубки, свойства неорганических нанотрубок.	2
6	Двумерные наноматериалы Основные методы получения и роль химических подходов в технологии двумерных наноструктур. Кинетика и термодинамика процесса роста пленок. Механизм роста пленок. Физические методы осаждения тонких пленок: молекулярно-лучевая эпитаксия, импульсное лазерное осаждение, распылительное осаждение. Методы химического осаждения пленок. Химическое осаждение из газовой фазы. Контроль роста. Нанесение тонких пленок на сложный рельеф. Химическое осаждение из растворов: золь-гель метод, метод Ленгмюр-Блоджетт, основы и особенности реализации рассматриваемых методов синтеза.	2
7	Углеродные наноматериалы. Классификация углеродных материалов. Нульмерные наноструктуры: фуллерены, строение молекул фуллеренов, фуллериты, экзо- и эндопроизводные фуллеренов. Угле­родные одно- и многослойные нанотрубки, электронная структура, энергетический спектр и проводимость УНТ, методы получения УНТ. Симбиозные структуры на основе нанотрубок и фуллеренов. Двумерные наноструктуры - графен, зонная и кристаллическая структура графена. Строение и свойства углеродных наноструктур различной мерности остова.	4	Лекция-беседа
8	Трехмерные наноматериалы. Классификация методов синтеза наноматериалов по типу формирования: «сверху вниз» и «снизу вверх». Физические и химические методы синтеза наномате­риалов. Способы испарения и конденсации (стабилизации) наночастиц. Синтез в нанореакторах. Механохимический синтез, детонационный синтез и электровзрыв. Золь-гель метод. Самораспространящийся синтез. Аэрозольный синтез.	2	Лекция-беседа
9	Области применения функциональных наноматерилов Наноэлектроника. Современные транзисторы, Квантовые компьютеры. Молекулярная электроника. Магнитные носители информации. Наномеханизмы и наноустройства.	4	Лекция-беседа

 

Занятия семинарского типа.

Лабораторные занятия.

№ раздела дисциплины	Наименование темы и краткое содержание занятия	Объем, акад. часы	Примечание
4	Двумерные наноматериалы Исследование влияния поверхностных фосфороксид­ных наноструктур на влагопоглотительные свойства фосфорсодержащего кремнезема.	4
	Изучение оксидных наноструктур на поверхности полимерных материалов методом ИК-Фурье спектро­скопии	8
9	Области использования наноматериалов и перспективы развития нанотехнологии. Синтез и оценка электропроводности элементоксидных тонких пленок на поверхности боросиликатного стекла	8
	Применение ванадийсодержащего силикагеля в качестве цветового индикатора влажности.	4

Самостоятельная работа обучающихся.

№ раздела дисциплины	Перечень вопросов для самостоятельного изучения	Объем, акад. часы	Форма контроля
1	Вклад исследований советских и российских ученых и инженеров на ход процесса становления «нанотех­нологического самосознания». Развитие нанотехно­логии в России.	4	Курсовая работа зачет
2	Основные классы наноразмерных систем. Дать определения терминов: наночастица, наносистема, нанокомпозит, нанонаука, нанотехнология. Классификация наноразмерные системы.	4	Курсовая работа зачет
3	Основные факторы, влияющие на неравновесное состояние наноматериалов. Размерные свойства наноматериалов: электрические, магнитные, оптические, механические, химические. Оптические и электронные свойства наносистем. Влияние размера частиц на параметры кристаллической решётки. Изменение физико-химических свойств веществ при уменьшении размера частиц.	10	Курсовая работа зачет
4	Порошковые наноматериалы. Основные методы получения и направления практического использования. Физические и химические методы синтеза наночастиц и нанопорошков. Пористые наноструктуры. Методы получения и возможности практического использования. Применение наноструктур в химии и химической технологии.	6	Курсовая работа зачет
5	Неорганические нанотрубки - синтез, свойства, применение. Использование нанотрубок в качестве элементной базы микроэлектроники.	6	Курсовая работа зачет
6	Пленки Ленгмюра-Блоджетт - синтез, структура, свойства, применения. Формирование нанорельефа поверхности подложек. Технологии получения двумерных наноструктур, основанные на физических и химических процессах.	6	Курсовая работа зачет
7	Углеродные наноструктуры. История открытия углеродных наноматериалов, структура, возможности модифицирования, области применения. Методы и оборудование для получения углеродных наноматериалов различной мерности.	8	Курсовая работа зачет
8	Процессы самосборки в наносистемах. Нанострук­турные элементы вещества. Материалы на основе наноструктурных элементов Фотонные кристаллы. Магнитные свойства наносистем.	6	Курсовая работа зачет
9	Методы контроля наноструктур по составу, размерам, степени упорядоченности. Применение наномате­риалов при создании функциональных диэлектрических и полупроводниковых нанопокрытий. Применение наноматериалов в наноэлектронике. Механические свойства наносистем	10	Курсовая работа зачет

Темы курсовых работ

1. Применение наноматериалов при создании функциональных диэлектрических и полу­проводниковых нанопокрытий

2. Транзисторы на основе углеродных нанотрубок

3. Углеродные нанотрубки и перспективные области их применения.

4. Пленки Ленгмюра-Блоджетт - синтез, структура, свойства, применения

5. Графен – методы синтеза, структура, свойства, применение

6. Фуллерены – методы синтеза, структура, свойства, применение

7. Углеродные нанотрубки – методы синтеза, свойства, применение

8. Неорганические нанотрубки - синтез, свойства, применение

9. Фотонные кристаллы, получение и материалы на их основе

10. Технологии получения двумерных наноструктур, основанные на физических процессах

11. Технологии получения двумерных наноструктур, основанные химических процессах

12. Наноэнергетика. Возможности использования нанотехнологий для создания топливных элементов и устройств для хранения энергии

13. Оптические и электронные свойства наносистем

14. Использование наноматериалов в топливно-энергетической сфере.

15. Нанотехнология в производстве сенсорных датчиков.

16. Производные фуллеренов, свойства и области применения

17. Пиподы – методы получения, свойства, возможные области применения

18. Применение наноматериалов в микро - и наносистемной технике.

19. Применение наноматериалов в наноэлектронике

20. Производство и применение наноматериалов в России.

21. Применение нанотехнологии в материалах, поглощающих электромагнитое излучение.

 

5. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине.

1. Ежовский, Ю.К. Технология функциональных пленочных наноматериалов и наноструктур: учебное пособие./ Ю.К. Ежовский - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2013.- 92 с.

2. Захарова, Н.В. Метрологическое обеспечение измерений наноразмерных объектов: учебное пособие./ Н.В.Захарова, Е.А.Соснов - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2014.- 92 с. (ЭБ)

3. Исследование наноструктур с применением сканирующей зондовой микроскопии: учебное пособие./ К.Л.Васильева [и др.]. - СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2010.- 64 с. (ЭБ)

4. Малыгин, А.А. Свойства и применение функциональных наноматериалов: Текст лекций/ А.А. Малыгин, А.А. Малков - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2013.- 71 с.

5. Малыгин, А.А. Химическая сборка функциональных наноматериалов методом молекулярного наслаивания: конспект лекций / А.А.Малыгин- СПб: СПбГТИ(ТУ), 2012.- 74 с. (ЭБ).

6. Рентгеновские трубки: устройство применение, проблемы электрической прочности и нанотехнологические подходы ее повышения: учебное пособие./ Г.Л.Брусиловский [и др.]. - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2012.- 184 с. (ЭБ).

7. Соснов, Е.А. Исследование дисперсных наноматериалов методом атомно-силовой микроскопии: методические указания к лабораторной работе./ Е.А.Соснов, К.Л.Васильева, А.А.Малыгин - СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2011.- 26 с.

8. Соснов, Е.А. Исследование поверхности материалов методом атомно-силовой микроскопии: методические указания к лабораторной работе./ Е.А.Соснов - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2006.- 36 с.

9. Соснов, Е.А. Методы зондовой микроскопии. Сканирующая ионная микроскопия: учебное пособие./ Е.А.Соснов - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2015.- 52 с.

 

Методические указания для обучающихся по организации самостоятельной работы по дисциплине, включая перечень тем самостоятельной работы, формы текущего контроля по дисциплине и требования к их выполнению размещены в электронной информационно-образовательной среде СПбГТИ(ТУ) на сайте: http://media.technolog.edu.ru

Фонд оценочных средств

для проведения промежуточной аттестации по дисциплине

«Функциональные наноматериалы»

Компетенция

Индекс Формулировка Этап формирования ОПК-3 Готовность использовать знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире промежуточный ПК-16 Способность планировать и проводить физические и химические эксперименты, проводить обработку их результатов и оценивать погрешности, выдвигать гипотезы и устанавливать границы их применения, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования промежуточный ПК-18 Готовность использовать знание свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности промежуточный

 

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

 

Направление подготовки

Химическая технология

Направленность образовательной программы