Физико-механические компоненты наносистем. Книга 8

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

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

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

Физико-механические компоненты наносистем 

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 

Введение 
3 

Ю. В. Панфилов, В. М. Утенков, В. П. Михайлов 
 
 
 
 
ФИЗИКО-
МЕХАНИЧЕСКИЕ 
КОМПОНЕНТЫ 
НАНОСИСТЕМ  
 
 
 
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» 
 

 

Физико-механические компоненты наносистем 

УДК 621.01.03 
ББК 34.44 
 
П16 
 
УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного  контракта 
№ 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2-й 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) 
 

П16 

Панфилов Ю. В.

Физико-механические компоненты наносистем : учеб. пособие / 

Ю. В. Панфилов, В. М. Утенков, В. П. Михайлов. – М. : Изд-во 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 184 с. : ил. (Библиотека «Наноин-
женерия» : в 17 кн. Кн. 8).

 
ISBN 978-5-7038-3499-2 (кн. 8) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
Методические материалы по дисциплине «Физико-механические компоненты 
наносистем» содержат нормативную базу дисциплины, рекомендации 
по организации и проведению лекций, практических занятий, лабораторных 
работ и деловых игр, перечень учебных видеоматериалов, слайдов, 
типовых плакатов и другие дидактические материалы для работы 
профессорско-преподавательского состава по данной дисциплине. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических 
учебных заведений по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем 
подготовки «Наноинженерия». Будут полезны всем, занимающимся 
вопросами нанотехнологий, наноинженерии, проектированием МЭМС  
и НЭМС, созданием электронных систем различного назначения. 
 
УДК 621.01.03 
ББК 34.44 
 
 
 Панфилов Ю. В., Утенков В. М., 
Михайлов В. П., 2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3499-2 (кн. 8) 
 Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

Введение 
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 учебно-
методического 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 наномате-
риалов, 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 

Физико-механические компоненты наносистем 

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 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 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 

Введение 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АСМ
–
атомно-силовой микроскоп

АСТ
–
адаптивный составной телескоп

АЦП
–
аналого-цифровой преобразователь

ИПТ
–
источник постоянного тока

МР
–
магнитореология

МУЭ
–
магнитоуправляемый эластомер

МЭМС
–
микроэлектромеханическая система

НЭМС
–
наноэлектромеханическая система

РЛС
–
рентгенолитографическая система

САР
–
система автоматического регулирования

СТМ
–
сканирующий туннельный микроскоп

ТАУ
–
теория автоматического управления

УЭЛ
–
установки электронной литографии

ЦАП
–
цифро-аналоговый преобразователь

ЦТС
–
пьезокерамика из цирконата–титаната–свинца

ЭР
–
электрореология

Физико-механические компоненты наносистем 

ВВЕДЕНИЕ 

Предмет «Физико-механические компоненты наносистем» изучается 
студентами в течение 7-го семестра. Программа курса 
предусматривает выполнение в течение семестра студентами, изучающими 
данный предмет, одного домашнего задания на тему 
«Расчет динамических характеристик привода для нанопозицио-
нирования».  
Дисциплина «Физико-механические компоненты наносистем» 
охватывает основные вопросы создания и функционирования 
устройств и механизмов с точностью перемещения в нанометро-
вом диапазоне и базируется на физико-математическом и общепрофессиональном 
циклах дисциплин образовательного стандарта 
и полностью ему соответствует. Такие разделы физики, как электричество 
и магнетизм, теплота и механика, атомная и ядерная физика, 
лежат в основе изучения процессов получения нанострукту-
рированных материалов, обработки поверхности с наноточностью 
(механическая, электрохимическая, электронно-лучевая, ионно-
плазменная, лазерная), наномодифицирования поверхности, искусственного 
и естественного наноформообразования, самоорганизации, 
а также изучения способов механического позиционирования  

с наноточностью, способов демпфирования тепловых и механических 
воздействий при нанопозиционировании и нанообработке, 
методов контроля положения объекта с наноточностью, методов 
контроля наношероховатости, зондовых методов контроля морфологии 
поверхности.  
Изучаются 
такие 
разделы, 
как: 
механические, 
физико-
химические и теплофизические свойства наноструктурированных 
материалов; обработка поверхности с наноточностью (механическая, 
электрохимическая, электронно-лучевая, ионно-плазменная, 
лазерная); наномодифицирование поверхности; способы механического 
позиционирования с наноточностью: пьезоэлектрические, 
магнитострикционные, магнито- и электрореологические приводы 

Введение 
9 

движения; способы демпфирования тепловых и механических воздействий 
при нанопозиционировании и нанообработке; методы 
контроля положения объекта с наноточностью; методы контроля 
наношероховатости; зондовые методы контроля морфологии поверхности; 
микро- и наноинструмент для наноинженерии; механика 
течения жидкостей и газов в микро- и нанокапиллярах и порах. 
Рассматриваются методы получения упорядоченных нано-
структур: искусственное и естественное наноформообразование, 
самоорганизация; осаждение в наноструктурированные матрицы; 
пучковые методы нанолитографии; зондовые методы формирования 
наноструктур; создание наноустройств и наномеханизмов. 
Методологически дисциплина «Физико-механические компоненты 
наносистем» строится на основе рационального соотношения 
теоретических и прикладных вопросов с обязательным участием 
студентов в самостоятельном исследовании особенностей 
элионных процессов. В курсе предусмотрены теоретические разделы, 
по которым имеются доступные учебно-методические мар-
териалы и учебная литература, изучаемые студентами самостоятельно. 
Содержание соответствующих тем разделов направлено на 
усиление роли фундаментальных знаний в теоретической и профессиональной 
подготовке студента и способствует формированию 
фундаментальных системных знаний и развитию творческих 
способностей.

1. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 

Цель курса: формирование у студентов основных представлений 
о механизмах и устройствах с точностью перемещения в 
нанометровом диапазоне, а также подготовка специалистов к созданию 
и совершенствованию технологического и исследовательского 
оборудования, в котором выполняется манипулирование 
объектами с нанометровой точностью. 
Решаемые задачи: освоение методов построения кинематических 
схем исполнительных механизмов для наноперемещений, 
анализ составляющих погрешности наноперемещения, изучение 
методов и средств измерения величины и погрешности позиционирования, 
повышения плавности и точности перемещения; изучение 
систем управления качеством на основе моделирования  
динамических характеристик механизмов и устройств с наномет-
ровой точностью перемещения; освоение приемов анализа и обоснованного 
выбора наиболее эффективных по точности, быстродействию 
и стоимости типов механизмов и устройств с наномет-
ровой точностью перемещения. 

1.1. ВВЕДЕНИЕ 

Цель лекции: показать области применения прецизионных 
механизмов. Провести обзор и анализ технологического и исследовательского 
оборудования: оборудования для микролитогра-
фии, рентгенолитографических систем, установок электронной 
литографии. 
Курс лекций по дисциплине «Физико-механические компоненты 
наносистем» охватывает основные вопросы создания и функционирования 
устройств и механизмов с точностью перемещения 
в нанометровом диапазоне.