Шушарина Наталья Николаевна
соискатель по кафедре прикладной физики, Балтийский федеральный университет им. И.Канта, г. Калининград
nshusharina@kantiana.ru

Специальный физический практикум, направленный на формирование умений использования современных методов диагностики микро- и наноструктур 

Аннотация:
Разработана модель специального физического практикума, направленного на  формирование умений  практического использования современных методов диагностики микро- и наноструктур  и основанного на использовании методов экспериментальной и компьютерной физики при взвешенном их сочетании и последовательности, отвечающих целевым установкам обучения.

Ключевые слова:
специальный физический практикум, современные методы диагностики микро- и наноструктур ,  натурный эксперимент, программное обеспечение

Стратегическими национальными приоритетами Российской Федерации на сегодняшний день являются: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечение обороны и безопасности страны [1]. Одним из реальных направлений достижения этих целей может стать ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России [2-3].В основе такого подхода лежат:

• использование особенностей свойств вещества (материалов) при уменьшении его размеров до нанометрового масштаба;

• ряд выдающихся открытий последних лет в области физики низкоразмерных систем и структур;

• разработка приборов и устройств на основе квантовых наноструктур;

• появление и развитие новых технологических приемов;

• методы, основанные на зондовой микроскопии и технике сфокусированных ионных пучков; LIGA-технологии как последовательность процессов литографии, гальваники и формовки) и диагностических методов (сканирующая зондовая микроскопия/спектроскопия; рентгеновские методы с использованием синхротронного излучения; электронная микроскопия высокого разрешения);

• создание новых материалов с необычными свойствами и конструкционных наноматериалов с рекордными эксплуатационными характеристиками.

Эффективное достижение намеченных целей требует системного подхода к решению целого ряда взаимосвязанных задач в заданных направлениях наукоемких технологий (рис.1), основными из которых являются:

• координация работ в области создания и применения нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники;

• формирование инфраструктуры для организации эффективных исследований;

• подготовка квалифицированных кадров;

• поддержка научного сотрудничества в области создания и исследования наноматериалов.

 

Рис.1. Наукоемкие технологии.

В связи с этим особую значимость приобретает подготовка студентов к практическому использованию современных  методов диагностики микро- и наноструктур, используемых в наукоёмких технологиях. Это обеспечивает  условия для пол­ноценного продуктивного развития личностного интеллектуального и творческого потенциала.

Основными идеями, положенными в основу рассматриваемого специального физического практикума являются:

• системность и непрерывность в формировании исследовательских умений на протяжении всего обучения физике;

• представленность методологии экспериментальной деятельности на занятиях всех видов и координация их содержания по ее освоению;

• формирование знаний об аналитических возможностях осваиваемых методов в логике задачного подхода, на основе решения проблемно- ориентированных циклов задач оценочного характера;

• активный характер познавательной деятельности студентов по овладению экспериментальными навыками;

• целостный и завершенный характер познавательной деятельности студентов, отвечающий содержанию и структуре реального научного исследования.

Предлагается следующая модель построения специального физического практикума, направленного на формирование у студентов  знаний об аналитических возможностях и умений практического использования современных методов диагностики микро- и наноструктур, реализованная в Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта на базе НОЦ  «Функциональные  наноматериалы».

• Этап 1. Предварительная подготовка студентов к выполнению заданий практикума, в результате которой они приобретают необходимые знания о физической сущности осваиваемого метода и его аналитических возможностях. Существенным отличием предлагаемой методики является использование задачного подхода, а именно – приобретение студентами необходимых знаний в результате решения проблемно – ориентированных циклов задач. Содержание задач цикла отвечает конкретной проблеме анализа микро- и наноструктур (определение элементного состава, химического состава, фазового состава, атомной и электронной структуры и т.п.) и ключевым вопросам физики отдельных методов диагностики, отвечающих имеющейся приборной базе.  

• Этап 2. Приобретение практических навыков работы с аналитическим оборудование, предназначенным для исследования. С этой целью используется специально разработанная, ориентированная на имеющуюся приборную базу видеообучающая система, позволяющая моделировать основные действия в процессе реального эксперимента.

• Этап 3. Выполнение экспериментальных исследований с использованием предлагаемого и дополнительных к нему методов исследования. Важно отметить, что условия и рабочие  режимы эксперимента определяются студентами самостоятельно на основе результатов предварительно решенных задач.

• Этап 4. Анализ и обработка полученных результатов. На этом этапе предполагается активное использование студентами специального программного обеспечения обработки полученной информации и количественного определения необходимых параметров.

• Этап 5. Соотнесение полученных знаний с запросами науки и практики.

В качестве примера реализации данного подхода кратко рассмотрим методику выполнения задания по определению элементного состава наноразмерных структур спектроскопическими методами.

На первом этапе студентам предлагается специальным образом подобранный цикл задач, направленных на определение аналитических возможностей спектроскопических методов – электронная оже-спектроскопия, энерго-дисперсионный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния и др. в плане решения поставленной проблемы.  Таким образом, обосновывается целесообразность использования в качестве метода исследования – метод оже- электронной спектроскопии, как обладающего следующими достоинствами: возможность исследования стехиометрии, химического и структурного состава поверхности, а сочетание  с методикой ионного профилирования (Depth Profile), последовательного травления образца пучком ионов (Ar⁺) низкой и средней энергии (100÷5000 эВ), что позволяет получить полную информационную картину внутренней структуры изучаемого объекта.

На втором этапе для приобретения студентами практических навыков работы с Оже-микроанализатором (БФУ им. И. Канта JAMP 9500F) используется видеообучающая система, позволяющая проследить последовательность действий оператора, необходимых для получения результата, и определить влияние условий эксперимента (например, энергии и ширины электронного зонда) на разрешающую способность метода.

На третьем этапе студенты реализуют программу исследований в ходе натурного эксперимента, организованного в соответствии с определенными ранее его условиями и режимами.

На следующем этапе с использованием компьютерных программ Origin Lab, Spectra осуществляется анализ и обработка полученных результатов.

Наконец, на последнем этапе формулируется практические рекомендации по модификации технологического процесса создания изучаемых структур с целью придания им необходимых функциональных свойств.

Таким образом, реализация предлагаемой технологической структуры специального физического практикума, обеспечивает возможности формирования у студентов  знаний об аналитических возможностях и умений практического использования современных методов диагностики микро- и наноструктур.

Литература

1. Основы политики Российской Федерации в области науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую песпективу // Поиск. 2002. № 16 (19 апреля).

2. Третьяков Ю. Д. Проблема развития нанотехнологий в России и за рубежом // Вестник Российской академии наук. М., 2007. Т. 77; №1. С. 3-10 .

3. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Копьев П.С, Панов В.И., Полторацкий Э.А., Сибельдин Н.Н., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологий // Микросистемная техника. 2003. №8. С. 3-13.

 Рекомендовано к публикации:
К.П.Корнев, кандидат физико-математических наук, научный руководитель работы
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии

_____

Natalya N. Shusharina
Applicant at the Department of Applied Physics, Immanuil Kant Baltic Federal University, Kaliningrad
nshusharina@kantiana.ru

The special physical practical work directed on formation of abilities of use of modern methods of diagnostics of micro- and nanostructures

A model of the special physical lab-practical aimed to improve skills of practical use of modern methods of diagnosis of micro-and nanostructures and based on the use of experimental physics, and computer with a weighted combination and sequence of their corresponding target settings of learning.

Keywords:
special physical lab-practical, modern methods of diagnosis of micro-and nanostructures, natural experiment, the software