Физические основы наноинженерии. Книга 16

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

учебно-методических комплексов дисциплин 
по тематическому направлению деятельности 
национальной нанотехнологической сети 

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

Физические основы наноинженерии 

БИБЛИОТЕКА «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

 
В семнадцати книгах 
 
 
 1. МЕТОДЫ МИКРОСКОПИИ 

 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 3. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 4. МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ 3D-ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСЕНСОРОВ 

 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ НАНОСИСТЕМ 

 9. МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 10. ЭЛИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ 

 11. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 12. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 13. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 14. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИКРО- 
И НАНОСИСТЕМ 

 15. БИОНАНОИНЖЕНЕРИЯ 

 16. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 17. САПР НАНОСИСТЕМ 

 
 
 
 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана 
Москва 2011 

Список основных понятий 
3 

В. В. Андреев, А. А. Столяров 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ 
ОСНОВЫ 
НАНОИНЖЕНЕРИИ 
 
 
 
Учебно-методический комплекс 
по тематическому направлению деятельности 
ННС «Наноинженерия» 
 
 
 
Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, 
члена-корреспондента РАН, профессора 
В. А. Шахнова 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 152200 «Наноинженерия» 
 
 
 

 

Физические основы наноинженерии 

УДК 621.3 
ББК 32.99 
 
А65 
 
УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного контракта 
№ 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2 федеральной 
целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии 
в Российской Федерации на 2008–2011 годы» 
 
Рецензенты: 

кафедра «Вакуумная электроника» Московского физико-технического 
института (зав. кафедрой, академик РАН  А. С. Бугаев); 
кафедра «Электроника и информатика» Российского государственного 
технологического университета им. К. Э. Циолковского 
(зав. кафедрой, профессор  С. Б. Беневоленский) 
 
 

А65 

Андреев В. В.

Физические основы наноинженерии : учеб. пособие / В. В. Ан
дреев, А. А. Столяров. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. 
– 224 с. : ил. (Библиотека «Наноинженерия» : в 17 кн. Кн. 16).

 
ISBN 978-5-7038-3507-4 (кн. 16) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
Методические материалы по дисциплине «Физические основы наноинженерии» содержат ее нормативную базу, рекомендации по организации 
и проведению лекций, практических занятий, семинаров, лабораторных работ и деловых игр, перечень учебных видео- и аудиоматериалов, слайдов, 
типовых плакатов и другие дидактические материалы, необходимые для работы профессорско-преподавательского состава по данной дисциплине. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических 
учебных заведений по направлению подготовки «Наноинженерия». Будут 
полезны всем, занимающимся вопросами нанотехнологий, наноинженерии, 
проектированием МЭМС и НЭМС, созданием электронных систем различного назначения. 
 
УДК 621.3 
ББК 32.99 
 
 
 
 
 Андреев В. В., Столяров А. А., 2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3507-4 (кн. 16) 
 Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

Список основных понятий 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Успех в продвижении России по нанотехнологическому пути 
развития во многом будет зависеть от эффективности системы 
подготовки кадров, для создания и развития которой необходимо 
современное и качественное учебно-методическое обеспечение. 
Основная особенность нанотехнологии – ее междисциплинарный характер, который требует особых методических приемов 
и подбора соответствующего научного и учебного материала. 
В настоящее время имеется существенная нехватка учебнометодического обеспечения такого характера. Поэтому адаптация 
учебно-методического обеспечения для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематических направлений ННС и его апробация на базе ведущих университетов Российской Федерации направлены на реализацию инновационной модели образования, подразумевающую тесную связь 
учебного и научно-исследовательского процесса на базе проектных методов обучения, современных экспериментальных методик 
и перспективных технологических процессов создания наноматериалов, наноструктур, приборов, устройств и систем на их основе. 
Современные образовательные программы должны обеспечивать 
приобретение студентами профессиональных навыков и компетенций, необходимых для эффективной и самостоятельной работы 
в наноиндустрии. 
В связи с этим актуальной задачей является разработка и издание УМК, которые обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего профессионального образования на территории Российской Федерации. 
Целью создания данного комплекта УМК является повышение 
эффективности междисциплинарной подготовки бакалавров и магистров путем распространения передового опыта в разработке 

Физические основы наноинженерии 

УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим 
направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного 
маршрутного обучения на базе адаптированного учебно-методического комплекса дисциплин по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия». 
УМК разработаны коллективом авторов в рамках реализации 
федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры 
наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы». 
На базе представленных УМК создана вариативная система 
маршрутного междисциплинарного обучения студентов по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия», 
обеспечивающая подготовку квалифицированных специалистов 
с соответствующими профилями. Разработаны электронные версии учебно-методических комплексов дисциплин на основе Webверсии, соответствующей стандарту SCORM 2004, 3rd edition 
(http://nanolab.iu4.bmstu.ru). 
Глубокую благодарность авторы выражают рецензентам: А. С. Бугаеву – академику РАН, заведующему кафедрой Московского физико-технического института, и С. Б. Беневоленскому – профессору, 
заведующему кафедрой Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского, чьи замечания способствовали улучшению содержания УМК. 
Разработанные 17 УМК обеспечат учебно-методическую поддержку подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным программам высшего профессионального образования 
по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подготовки «Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего профессионального образования на территории Российской Федерации. 
Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию УМК, которые следует направлять по адресу: 105005, 
Москва, 2-я Бауманская ул., МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
 
В. А. Шахнов 

Список основных понятий 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АСМ 
– атомно-силовой микроскоп 
ГМС 
– гигантское магнитосопротивление 
ГФЭ 
– газофазная эпитаксия 
ДЭГ 
– двухмерный электронный газ 
МДП 
– металл–диэлектрик–полупроводник 
МЛЭ 
– молекулярно-лучевая эпитаксия 
МОП 
– металл–оксид–полупроводник 
МПВ 
– метод постоянной высоты 
МПТ 
– метод постоянного тока 
ОПЗ 
– область пространственного заряда 
РТД 
– резонансно-туннельные диоды 
СЗМ 
– сканирующий зондовый микроскоп 
СТМ 
– сканирующий туннельный микроскоп 
ТМС 
– туннельное магнитосопротивление 
УНТ 
– углеродные нанотрубки 
ФСС 
– фосфорно-силикатное стекло 

Физические основы наноинженерии 

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ 

Наноинженерия – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, предметом которой являются 
исследования, проектирование и совершенствование методов производства и применения интегрированных систем, основанных на 
законах и принципах нанотехнологий и микросистемной техники. 
Боровский радиус – соответствующий нижайшему энергетическому уровню радиус электронной орбиты в атоме водорода в модели Бора. 
Длина свободного пробега – среднее расстояние, проходимое 
носителем заряда между последовательными актами рассеяния на 
дефектах. 
Вырожденный газ – газ высокой плотности, в котором распределение частиц газа лимитировано квантовомеханическим принципом тождественности частиц (принципом Паули для фермионов). Заполнение состояний такого газа описывается распределением Ферми. 
Невырожденный газ – газ малой плотности, в котором можно 
пренебречь влиянием квантовомеханического принципа тождественности частиц. В случае фермионного газа это соответствует 
слабому влиянию принципа Паули на распределение частиц газа 
по состояниям, и газ с хорошей точностью может быть описан 
классической статистикой Больцмана. 
Длина волны де Бройля – длина волны 
,
h p
λ =
 сопоставляемая 
в волновой механике частице с импульсом p  (h  – постоянная 
Планка). 
Плотность состояний – число энергетических состояний 
в системе размерности 
,
D  приходящихся на единичный интервал 
энергии в расчете на единицу D-мерного объема. 
Подвижность – отношение дрейфовой скорости носителей 
к электрическому полю. 
Инверсионный слой – приповерхностная область полупроводника 
МДП-структуры, в которой концентрация неосновных (по отноше

Список основных понятий 
9 

нию к объему полупроводника) носителей превышает концентрацию заряженных примесей. 
Квантовая нить – наноструктура с одномерным электронным 
газом, в которой движение носителей пространственно ограничено 
по двум степеням свободы (1D-объект). 
Квантовая точка – наноструктура, в которой движение носителей ограничено по всем пространственным степеням свободы. 
Локализованные в такой трехмерной квантовой яме носители образуют «нульмерный» газ с полностью дискретным спектром, подобно атомному спектру. 
Квантовая яма – наноструктура в виде пленки, толщина которой соизмерима с длиной волны де Бройля (2D-объект). 
Контактная разность потенциалов – разность потенциалов, 
возникающая при контакте двух материалов в гомо- или гетероструктурах. Равна разности работ выхода образующих гетеропереход материалов. 
Обедненный слой – область вблизи p–n-перехода в гетероструктурах или в МДП-структурах, в которой концентрация свободных 
носителей мала по сравнению с концентрацией заряженных примесей. 
Обогащенный слой – приповерхностная область полупроводника, 
образующаяся при приложении электрического поля, притягивающего к поверхности основные носители заряда. 
Молетроника – это электроника, в которой в качестве элементов микроэлектронных схем используются отдельные органические молекулы или даже их фрагменты. 
Спинтроника – направление наноэлектроники, в котором для 
использования в электронных устройствах применяются не только 
заряд электрона в твердом теле, но и его собственный квантовомеханический момент – спин. 
Кантилевер – механический зондовый датчик для АСМ-методик, представляющий собой балку, жестко закрепленную с одной 
стороны и имеющую острую иглу с радиусом закругления порядка 
10 нм. 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время в России ощущается острая потребность 
в инженерных кадрах, являющихся специалистами в области 
наноинженерии. Уменьшение проектных норм интегральных микросхем и микросистемных устройств до нанометрового диапазона 
требует применения принципиально новых технологических решений и разработки нового технологического оборудования. 
Курс «Физические основы наноинженерии» занимает важное место в подготовке бакалавров, магистров и инженеров по основным 
образовательным программам высшего профессионального образования по направлению подготовки «Наноинженерия». В данном методическом пособии представлена нормативная база дисциплины 
«Физические основы наноинженерии», приведены рекомендации по 
организации и проведению лекций, практических занятий, семинаров, лабораторных работ. 
Подготовка в области физики наноинженерии имеет важнейшее 
значение для формирования компетенций специалистов по 
направлению «Наноинженерия». Данные методические материалы 
посвящены описанию основных физических концепций, связанных с физикой полупроводников, нанонаукой и нанотехнологиями 
и возможностью создания на их основе микро- и наноэлектронных 
систем нового поколения. При их подготовке использовались как 
хорошо зарекомендовавшие себя учебные пособия по физическим 
основам микроэлектроники, так и появившиеся в последнее время 
монографии и пособия по физике нанотехнологий. 
Важной задачей при преподавании физических основ наноинженерии для специалистов по направлению «Наноинженерия» является создание у студентов возможно полной и целостной картины физических процессов, на которых базируются микро- и наноэлектроника, формирование системы взаимосвязанных понятий 
и знаний, которые позволили бы понимать физику процессов работы элементов микро- и наноэлектроники и перспективы их развития, укладываясь в сравнительно небольшие объемы данного курса.