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 наноин-
женерии» содержат ее нормативную базу, рекомендации по организации 
и проведению лекций, практических занятий, семинаров, лабораторных ра-
бот и деловых игр, перечень учебных видео- и аудиоматериалов, слайдов, 
типовых плакатов и другие дидактические материалы, необходимые для ра-
боты 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 различ-
ного 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 междисциплинар-
ный характер, который требует особых методических приемов 
и подбора соответствующего научного и учебного материала. 
В настоящее время имеется существенная нехватка учебно-
методического обеспечения такого характера. Поэтому адаптация 
учебно-методического обеспечения для подготовки кадров по про-
граммам высшего профессионального образования для тематиче-
ских направлений ННС и его апробация на базе ведущих универ-
ситетов Российской Федерации направлены на реализацию инно-
вационной модели образования, подразумевающую тесную связь 
учебного и научно-исследовательского процесса на базе проект-
ных методов обучения, современных экспериментальных методик 
и перспективных технологических процессов создания наномате-
риалов, наноструктур, приборов, устройств и систем на их основе. 
Современные образовательные программы должны обеспечивать 
приобретение студентами профессиональных навыков и компе-
тенций, необходимых для эффективной и самостоятельной работы 
в наноиндустрии. 
В связи с этим актуальной задачей является разработка и изда-
ние УМК, которые обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования по темати-
ческому направлению деятельности ННС «Наноинженерия» обра-
зовательными учреждениями высшего профессионального образо-
вания на территории Российской Федерации. 
Целью создания данного комплекта УМК является повышение 
эффективности междисциплинарной подготовки бакалавров и ма-
гистров 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-методиче-
ского комплекса дисциплин по тематическому направлению дея-
тельности 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 Web-
версии, 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 высше-
го профессионального образования на территории Российской Фе-
дерации. 
Авторы будут признательны читателям за все замечания по со-
держанию 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 фундаменталь-
ной и прикладной науки и техники, предметом которой являются 
исследования, проектирование и совершенствование методов про-
изводства и применения интегрированных систем, основанных на 
законах и принципах нанотехнологий и микросистемной техники. 
Боровский радиус – соответствующий нижайшему энергетиче-
скому уровню радиус электронной орбиты в атоме водорода в мо-
дели Бора. 
Длина свободного пробега – среднее расстояние, проходимое 
носителем заряда между последовательными актами рассеяния на 
дефектах. 
Вырожденный газ – газ высокой плотности, в котором распре-
деление частиц газа лимитировано квантовомеханическим прин-
ципом тождественности частиц (принципом Паули для фермио-
нов). Заполнение состояний такого газа описывается распределе-
нием Ферми. 
Невырожденный газ – газ малой плотности, в котором можно 
пренебречь влиянием квантовомеханического принципа тожде-
ственности 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 концентра-
цию 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 носи-
телей ограничено по всем пространственным степеням свободы. 
Локализованные в такой трехмерной квантовой яме носители об-
разуют «нульмерный» газ с полностью дискретным спектром, по-
добно атомному спектру. 
Квантовая яма – наноструктура в виде пленки, толщина кото-
рой соизмерима с длиной волны де Бройля (2D-объект). 
Контактная разность потенциалов – разность потенциалов, 
возникающая при контакте двух материалов в гомо- или гетеро-
структурах. Равна разности работ выхода образующих гетеропере-
ход материалов. 
Обедненный слой – область вблизи p–n-перехода в гетерострук-
турах или в МДП-структурах, в которой концентрация свободных 
носителей мала по сравнению с концентрацией заряженных при-
месей. 
Обогащенный слой – приповерхностная область полупроводника, 
образующаяся при приложении электрического поля, притягиваю-
щего к поверхности основные носители заряда. 
Молетроника – это электроника, в которой в качестве элемен-
тов микроэлектронных схем используются отдельные органиче-
ские 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 квантово-
механический момент – спин. 
Кантилевер – механический зондовый датчик для АСМ-мето-
дик, 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 мик-
росхем и микросистемных устройств до нанометрового диапазона 
требует применения принципиально новых технологических ре-
шений и разработки нового технологического оборудования. 
Курс «Физические основы наноинженерии» занимает важное ме-
сто в подготовке бакалавров, магистров и инженеров по основным 
образовательным программам высшего профессионального образо-
вания по направлению подготовки «Наноинженерия». В данном ме-
тодическом пособии представлена нормативная база дисциплины 
«Физические основы наноинженерии», приведены рекомендации по 
организации и проведению лекций, практических занятий, семина-
ров, 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, связан-
ных 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 наноин-
женерии 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.