Доронин Вячеслав Александрович
аспирант кафедры физической электроники, инженер кафедры физической электроники, Российский Государственный педагогический университет  им. А.И. Герцена, Санкт-Петербург
doroninslava@rambler.ru

Остроумова Юлия Сергеевна
кандидат педагогических наук, заведующая кафедрой физики, Военная академия связи им. С.М. Будённого, г. Санкт-Петербург
sinklit@mail.ru 

Ханин Самуил Давидович
доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой физической электроники, Российский Государственный педагогический университет  им. А.И. Герцена, Санкт-Петербург
sinklit@mail.ru  

Электронные свойства наноструктур как предмет исследовательской деятельности при обучении физике магистрантов вузов 

Аннотация
Обосновываются и раскрываются возможности построения исследовательской деятельности студентов магистратуры на основе проблематики физики аморфных материалов с наноразмерными кристаллическими включениями. 

Ключевые слова
Исследовательское обучение, физика аморфных и аморфно-кристаллических материалов, нанокомпозиты 

Эффективность исследовательского обучения в значительной степени определяется содержанием изучаемой проблематики, которое должно быть дидактически и методологически обоснованным [1] и обновляться в соответствии с развитием научного знания. В настоящей работе развивается аргументация в пользу использования в качестве предметной основы исследовательского обучения студентов магистратуры физики наноструктур и на конкретных примерах показываются возможности организации учебного процесса на этой предметной основе. 

Целесообразность привлечения предметной области наноэлектроники определяется целым рядом причин:

1. Актуальность проблематики наноэлектроники, высокий уровень её научной и практической значимости, что мотивирует обучающихся к изучению физике.

2. Достаточные для включения в учебный материал разработанность физических основ наноэлектроники и реализованность ее практического применения.

3. Динамичность развития наноэлектроники, необходимая для постановки исследовательского обучения.

4. Новизна и представительность изучаемого материала в информационном и методологическом аспектах исследовательского обучения физике.

5. Проблемный характер для обучающихся решаемых задач во всех основных компонентах: постановке задачи, выборе методов и средств решения, анализе и применении полученных результатов.

6. Востребованность применения имеющихся и приобретения новых фундаментальных знаний. Первое раскрывает инженерное значение знаний, второе способствует фундаментализации физического образования, обогащая его содержание новыми, необходимыми для освоения, фундаментальными эффектами, наблюдаемыми в наноструктурах.

7. Методологическая представительность предметного содержания, возможность отражения в учебном процессе особенностей современной методологии научно-технической деятельности и, в первую очередь, единства её фундаментальной и прикладной составляющих.

8. Востребованность деятельностного освоения современных методов физики, используемых в наноэлектронике.

9. Востребованность целостной исследовательской деятельности с использованием всех необходимых подходов и методов.

10. Значимость предметного материала для освоения новых знаний, что отвечает необходимости придания обучению физики опережающего характера.

11. Широта спектра типов решаемых в наноэлектронике задач включая такие значимые в исследовательском обучении физике, как:

• структурную характеризацию функциональных наноматериалов;

• выявление информативных для диагностики наноматериалов и наноструктур параметров и характеристик и разработка соответствующих экспериментальных методик технической диагностики;

• экспериментальное установление закономерностей поведения электронных свойств наноструктур и их анализ;

• разработка моделей строения и физических процессов, ответственных за формирование электронных свойств наноструктур;

• разработка научно-обоснованных принципов управления свойствами наноструктур и их практическая реализация.

Интерес к проблематике электронных свойств систем на основе аморфных и стеклообразных материалов с наноразмерными кристаллическими включениями [2] в аспекте постановки исследовательского обучения обусловлен несколькими причинами.

Во-первых, научными ресурсами её освоения: 

• возможностью выяснения минимального размера частиц, при котором они еще способны сохранять свойства, присущие данному веществу в конденсированном состоянии,

• изучением процессов, ответственных за формирование электронных свойств конденсированного вещества, роли в нем микрогетерогенности стекла (наличия в его структуре кристаллических мотивов размером порядка единиц нанометров) [3,4],

• практической значимостью результатов исследований систем с нанокристаллами.

Во-вторых, возможностью целостного освоения обучающимися современной исследовательской деятельности с присущими ей особенностями методологии. Исследовательское обучение на предметной основе рассматриваемой проблематики может быть организовано в форме мастер-класса, руководимого специалистом в изучаемой области.  

Конкретизируем сказанное на примере исследования аморфных пленочных металлооксидных материалов с наноразмерными кристаллами оксидов переходных металлов. Рассмотрим некоторые примеры постановки и решения формулируемых здесь и взаимосвязанных между собой проблемных задач исследовательского обучения, решаемых магистрантами факультета физики. 

Первый пример – изучение неомической электронной проводимости аморфных пленок пентаоксидов тантала и ниобия, содержащих нанокристаллы того же состава. Важно отметить, что последние формируются самими обучающимися посредством электротеплового, интегрального по площади, нагружения (анодной поляризации) металлоксидных структур в контакте с кислородосодержащим электролитом, что придает выполнению исследовательского задания целостный характер. Проводимый обучающимися эксперимент обнаруживает качественное различие зависимости проводимости аморфного и кристаллического оксидов от напряженности электрического поля: у аморфного она немонотонна, а у кристаллического обнаруживает увеличение проводимости с ростом напряженности во всем диапазоне полей. 

Для объяснения полученного результата привлекается перколяционная модель электропроводности неупорядоченных системах, учитывающая протяженный характер дефектов нестехиометрии в кристаллах оксидов переходных металлов и, соответственно, направленный прыжковый перенос во всем диапазоне полей. Тем самым в рамках исследовательского обучения физике проявляется роль физического и математического моделирования. 

В практическом аспекте, обучающиеся формулируют рекомендацию по диагностике оксидных слоев конденсаторных систем, где информативным параметром выступает проводимость (величина тока), измеряемая при напряжении, отвечающем максимальному различию проводимости аморфного и кристаллического оксида. Тем самым осуществляется синтез фундаментальной и прикладной составляющих содержания исследовательского обучения, отвечающий методологии современной научно-технической деятельности. 

Второй пример – характеризация наноразмерных кристаллов, возникающих в аморфных слоях высших оксидов V, Ti, Fe, Nb при локальном по площади воздействии электрического напряжения, по электронным свойствам. В качестве информативной здесь выступает S-образная вольт-амперная характеристика получаемых в результате электроформовки переключательных устройств [5]. Эксперимент показывает, что с повышением температуры напряжение переключения уменьшается, и при достижении определенной для каждого оксида температуры обращается в нуль. Сопоставление с известными данными позволяет соотнести эту температуру с температурой перехода “полупроводник - металл” в оксидах указанных металлов в непредельной для них степени окисления. На основе полученных результатов обучающиеся делают вывод о том, что эффект электронного переключения обусловлен фазовым переходом в канале формовки и, характеризуют образующиеся в этом канале наноразмерные кристаллы. Таким образом в ходе исследовательского обучения студенты приобщаются к одному из наиболее актуальных направлений развития современной физики – физике фазовых переходов. 

Третий пример – изыскание возможности контроля за получением нанокристаллов с фазовым переходом “полупроводник - металл” при получении оптических нанокомпозитов посредством определения их электронных свойств. Как и в первом примере, обучающиеся самостоятельно получают металлооксидные нанокристаллы, в данном случае обладающие фазовым переходом, в различных температурных и временных режимах. Один подход к требуемому контролю здесь состоит в фиксации характерного для фазового перехода первого рода гистерезиса оптических свойств. Другой подход основывается на получении характерного для оптических композитов с бистабильными наночастицами ограничения интенсивности излучения. Как видно, при решении данной задачи оказываются востребованными и соответственно осваиваются знания нелинейной оптики. 

Литература

1. Остроумова Ю.С. Обучение физическим основам современных наукоемких технологий при подготовке педагогических кадров: вопросы теории и практики: учебное пособие [Текст] / Ю.С. Остроумова. –СПб: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2013. -123с.

2. Ханин С.Д. Нелинейные электронные свойства и характеризация наноразмерных кристаллов в некристаллических средах [Текст] / С.Д. Ханин // Диэлектрики-2011: материалы XII Международной конференции [Текст]. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена,2011. - Т. 1. - С. 21-24.

3. Khanin S. D. The Influence of Structural Defects on the Electronic Properties of Amorphous Ta₂O₅. / S. D. Khanin, A.L. Ivanovskii // Phys. Stat. Sol. (b) [Text]. – 1992. - V.174, No 2. - P.449-461.

4. Таганцев Д.К. Физико-химические основы разработки стеклообразных материалов и элементов для фотоники [Текст]: автореф. дисс. … докт. хим. наук / Д.К. Таганцев. - СПб, 2010. – 35 с.

5. Пергамент А.Л. Электронное переключение в тонких слоях оксидов переходных металлов [Текст] / А.Л. Пергамент, С.Д. Ханин // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. Естественные и точные науки [Текст]. - 2007. - №7(26). – С. 69-86.

Рекомендовано к публикации:
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии

_______

Vyacheslav A. Doronin
Post-graduate student of the Department of the physical electronics, engineer of the Department of the physical electronics, A.l. Herzen State Pedagogical University of Russia, St. Petersburg
doroninslava@rambler.ru  

Yulia S. Ostroumova
Candidate of Education Sciences, Head of the Department of the physics, S.M. Budyonny Military academy of telecommunications, St. Petersburg
sinklit@mail.ru  

Samuil D. Khanin
Doctor of Physics and Mathematics Sciences, Head of the Department of the physical electronics, A.l. Herzen State Pedagogical University of Russia, St. Petersburg
sinklit@mail.ru  

The electronic properties of nanostructures as a subject of research in teaching physics undergraduates of universities 

The possibility of building research graduate students justified and disclosed on the basis of the problems of physics of amorphous materials with nanoscale crystalline inclusions. 

Keywords: Research training, physics of amorphous and amorphous-crystalline materials, nanocomposites 

Literatura

1. Ostroumova Yu.S. Obucheniye fizicheskim osnovam sovremennix naukoiomkix texnologiy pri podgotovke pedagogicheskix kadrov: voprosi teorii i praktiki: ychebnoye posobiye [Text] / Yu.S. Ostroumova. – SPb: Izd-vo RGPU im. A.I. Gersena, 2013. – 123 p.

2. Khanin S.D. Nelineyniye electronniye svoistva i xarakterizasiya nanorazmernix kristallov v nekristallicheskix sredax [Text] / S.D. Khanin // Dielektriki-2011: materialy XII Megdunarodnoy konferensii [Текст]. – SPb.: Izd-vo RGPU im. A.I. Gersena, 2011. – T.1. – S. 21-24.

3. Khanin S. D. Vliyanie strukturnix defektov na elektroniye svoistva amorfnogo Ta₂O₅ [Text] / S. D. Khanin, A.L. Ivanovskii // Phys. Stat. Sol. (b) [Text]. – 1992. - V.174, No 2. - S.449-461.

4. Tagansev D.K. Fiziko-ximicheskiye osnovi pazrabotki stekloobraznix materialov I elementov dla fotoniki [Text]: avtoref. diss. … dok. xim. Nayk / D.K. Tagansev. – SPb., 2010. – 35 s.

5. Pergament A.L. Elektronnoye pereklucheniye v tonkix sloyax oksidov perexodnix metallov [Text] / A.L. Pergament, S.D. Khanin // Izvestiya RGPU im. A.I. Gersena. Estestvenniye i tochniye nauki [Text]. - 2007. - №7(26). – S. 69-86.