Введение в физику поверхности

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс по выбору (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Базовая кафедра физики конденсированных сред Института физики твердого тела РАН

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 3-й курс, 1 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Ионов Андрей Михайлович

Язык: русский

Кредиты: 3

Контактные часы: 24

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Целями изучения дисциплины являются: - знакомство студентов с основными концепциями физики поверхности (основы 2Д кристаллографии, электронная и атомная структура поверхности, процессы на поверхности твёрдого тела); - знакомство студентов с применяемыми в этой области физики методами исследования; - овладение методами решения задач, описания физических явлений.

Цель освоения дисциплины

знакомство студентов с основными концепциями физики поверхности (основы 2Д кристаллографии, электронная и атомная структура поверхности, процессы на поверхности твёрдого тела);
знакомство студентов с применяемыми в этой области физики методами исследования;
овладение методами решения задач, описания физических явлений.

Планируемые результаты обучения

знает основные элементы конструкций вакуумных систем, а также материалы, используемые в вакуумной технике.
умеет применять на практике: Двумерные решетки. Индексы Миллера плоскостей кристалла. Индексы направлений. Описание структуры поверхности. Двумерная обратная решетка. Атомная структура поверхности. Релаксация, реконструкция, их механизмы. Связь физических свойств поверхности с ее структурой. Структурные дефекты поверхности. Дифракционные методы исследования поверхности.
умеет применять на практике электронную спектроскопию
умеет применять на практике для решения научных задач рассмотренный в данной теме материал

Содержание учебной дисциплины

Введение.
Роль поверхности в различных физико-химических процессах. Физика и техника сверхвысокого вакуума. Основные элементы конструкций вакуумных систем. Материалы, используемые в вакуумной технике. Методы получения атомарно-чистой поверхности.
Основы двумерной кристаллографии.
Двумерные решетки. Индексы Миллера плоскостей кристалла. Индексы направлений. Описание структуры поверхности. Двумерная обратная решетка. Атомная структура поверхности. Релаксация, реконструкция, их механизмы. Связь физических свойств поверхности с ее структурой. Структурные дефекты поверхности. Дифракционные методы исследования поверхности. Дифракция медленных и быстрых электронов (ДМЭ. ДОБЭ). Рентгеновская дифракция под скользящими углами. Фотоэлектронная дифракция.
Электронная спектроскопия поверхности.
Оже-спектроскопия. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов
Рентгеновская и ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия: физические основы метода, особенности эксперимента и оборудование. Исследования с применением синхротронного излучения. Резонансная фотоэмиссия.
Зондовые методы исследования поверхности.
Сканирующая туннельная микроскопия. Атомно-силовая микроскопия. ИК и рамановская спектроскопия. Методы и принципы ионной спектроскопии. Массспектроскопия вторичных ионов: физические основы метода, особенности эксперимента и оборудование. Термодесорбционная спектроскопия.
Электронная структура и свойства поверхности
Поверхностные электронные состояния. Пространственное распределение потенциала и электронной плотности на поверхности металла, осцилляции Фриделя. Поверхностные плазмоны. Работа выхода и ее составные части. Методы измерения работы выхода
Электронные и атомные процессы на поверхности твердых тел
Адсорбция и десорбция. Гетерогенные системы. Межфазная граница. Явления на границе раздела фаз твердое тело-газ. Физическая и химическая адсорбция. Межмолекулярные взаимодействия при физической адсорбции. Модель адсорбции Ленгмюра. Адсорбционнодесорбционное равновесие. Теплота физической адсорбции. Типы химической связи при хемосорбции. Энергия активации и теплота адсорбции. Диссоциативная адсорбция. Теория Брунауера-Эммета-Тейлора. Взаимодействие адсорбированных частиц. Десорбция, поверхностная диффузия. Диффузия на поверхности твердых тел Основные уравнения диффузии (случайное блуждание и законы Фика). Диффузия отдельного атома и химическая диффузия. Собственная диффузия и диффузия массопереносом. Анизотропия поверхностной диффузии. Атомные механизмы поверхностной диффузии. Экспериментальное изучение поверхностной диффузии и структура тонких пленок Рост пленок по механизму Фольмера и Вебера. Модели образования зародышей. Кинетика роста изолированного островка и в ансамбле. Кинетика поздних стадий роста пленки. Рост пленок по механизму Франка и Ван дер Мерве. Критическая толщина псевдорморфного слоя и его структура. Механизм релаксации упругих деформаций псевдоморфного слоя. Кинетическая модель слоевого роста. Барьер Швебеля. Структурные превращения при росте пленок по Крастанову и Странскому. Структура пленок. Аморфные, поликристаллические и монокристаллические пленки. Дефекты. Несоответствие решеток на границе раздела. Методы роста тонких пленок в вакууме. Молекулярная и твердофазная эпитаксия.
Формирование наноструктур.
Атомное и молекулярное наноманипулирование методы и экспериментальное оборудования.

Элементы контроля

Домашнее задание
Контрольная работа
Экзамен
Домашнее задание
Контрольная работа
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (1 модуль)
0.45 * Домашнее задание + 0.15 * Контрольная работа + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины