Лабораторный практикум

Основная цель практикума - научиться использовать пакет Gamess (оригинальная версия) для расчёта физико-химических свойств наночастиц. По каждому из заданий делается отчёт (в электронном виде).

Задание 1. Проверка расчётного цикла на примере молекулы. Задание выполняется по вариантам. Молекула строится в редакторе Avogadro, там же проводится её оптимизация методом молекулярной механики, определяются размеры молекулы, находятся её свойства (формула, молекулярный вес, энергия связи, дипольный момент). С помощью Avogadro формируется заготовка входного файла для Gamess. С помощью Gamess проводится сначала геометрическая оптимизация молекулы, затем расчёт спектра ИК-поглощения. Полученный спектр сравнивается с реальным спектром поглощения исследуемого вещества (из открытой базы данных NIST), делаются выводы. Для визуализации данных моделирования могут быть использованы программы wxMacMolPlt и GabEdit.

Задание 2. В редакторе Avogadro нечётные варианты строят молекулу фуллерена С₂₀, а чётные - молекулу целлюлозы длиной в 8 глюкозных фрагментов. Далее проводится оптимизация методом молекулярной механики, делается заготовка входного файла для Gamess. В программе Gamess проводится оптимизация геометрии наноструктуры, выбор метода оставлен за студентом. Для визуализации данных моделирования используется программа wxMacMolPlt.

Задание 3. В редакторе Avogadro строится нанотрубка с закрытыми концами, внутри которой помещена молекула из первого задания. Проводится оптимизация геометрии структуры методом молекулярной механики и (если получится) с помощью Gamess. 

Учебное пособие для выполнения практических (лабораторных) работ. 

Файлы, полезные для выполнения практических заданий.

Нанофотоника

Методическое пособие "Нанофотоника" 

Презентации к коллоквиумам по курсу "Наноэлектроника":

• Занятие 1.
• Занятие 2.
• Занятие 3.

Презентации лекций

Презентация 1.

Презентация 2.

Презентация 3.

Презентация 4.

Презентация 5.

Презентация 6.

Презентация 7.

Вопросы для подготовки к экзамену (зачёту)

1) Стратегические задачи современной электроники. Индустрия нанотехнологий. Квантовый колодец. Квантовое ограничение носителей заряда в наноструктурах различной размерности: энергетические диаграммы, примеры специфических физических свойств, характерных для наноматериалов.

2) Баллистический транспорт в наноструктурах. Основные определения. Эффект квантования проводимости. Баллистический транзистор.

3) Туннелирование электронов через потенциальный барьер различной формы. Коэффициенты прохождения и отражения от барьера. Примеры использования эффектов туннелирования в устройствах наноэлектроники.

4) Технологии микроэлектронного производства в применении к нанообъектам. Подход "сверху-вниз". Молекулярно-лучевая эпитаксия. Газофазное осаждение (различные виды). Лазерная абляция. Фотолитография. Электронно-лучевая литография. Наноимпринтинг.

5) Зондовая микроскопия как метод исследования и конструирования нанообъектов. Принципы сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии. Зондовая нанолитография. Локальная глубинная модификация поверхности. Локальное анодное окисление. Локальное химическое осаждение из газовой фазы.

6) Наноструктурированные материалы, полученные самосборкой и самоупорядочением. Подход "снизу-вверх". Химический синтез. Наночастицы вида «ядро-оболочка». Золь-гель технологии. Пористый кремний. Пористый оксид алюминия.

7) Магические числа для нанокластеров. Капиллярная модель формирования нанокластеров. Островковый рост нанокластеров. Влияние поверхности наночастиц на их оптические свойства.

8) Применение углеродных наноматериалов в электронике. Строение, характеризация и свойства нанотрубок, фуллеренов, графена. Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок и графена: конструкция и особенности функционирования.

9) Принцип функционирования и проблемы миниатюризации полевого транзистора. Особенности конструкции короткоканальных полевых транзисторов. Технологии LDD, SOI, High-k, SON, FinFET. Полевые транзисторы с гетеропереходом: структура и особенности функционирования.

10) Одноэлектроника. Принцип работы одноэлектронного транзистора (SET). Схемы логических элементов на SET. Конструкция кремниевого SET. SET на геретоструктурах и металлогрганике. Одноэлектронный графеновый транзистор. Реализация элементов памяти на SET.

11) Спинтроника: основные понятия. Потенциальные преимущества устройств спинтроники. Магнон. Приборы на магнитостатических волнах. Спиновый клапан. Эффекты гигантского магнетосопротивления и туннельного магнетосопротивления: идея и варианты практической реализации. Магнитная резистивная память. Мультиферроики: свойства и варианты практического применения. Спиновый нанотранзистор.

12) Молекулярная электроника. Органические проводники и полупроводники: их электрические и оптические свойства. Металорганические комплексы. Пример полиацетилена: солитонный механизм проводимости. Прыжковая проводимость и перенос заряда. Измерение проводимости отдельной молекулы. Диод на молекулярной цепочке. Органический полевой транзистор.

13) Синглетные и триплетные состояния молекулы. Флуоресценция и фосфоресценция органических люминофоров. Органические светоизлучающие диоды: конструкция (HTL, ETL, EML), свойства, применение. Светодиодные матрицы (AMOLED).

14) Супрамолекулы, дендриты, мицеллы – возможности использования. Органические молекулярные сенсоры. Биосенсоры. Биологические наноструктуры. Плёнки Ленгмюра-Блоджетт: получение, свойства, применение.

15) Принципы квантовой теории информации. Кубит. Квантовый компьютер: теория функционирования и практическая реализация. Реализация кубитов на квантовых интерферометрах. Примеры формулировки задач и алгоритмы для квантовых вычислений.

16) Нанокомпозиты и нанокерамики  как материалы современной электроники. Классификация и способы получения композитных материалов. Примеры использования нанокомпозитов в технике. Мировой рынок наноматериалов.

17) Оптические эффекты в фотонных кристаллах. Способы синтеза фотонных кристаллов. Природные фотонные кристаллы. Моделирование распространения электромагнитной волны в фотонном кристалле. Оптические метаматериалы: объяснение уникальности оптических свойств. Способы синтеза метаматериалов, перспективы их использования.

18) Оптическая "наноскопия". Критерий Релея. Функция рассеяния точки. Флуоресцентная микроскопия. Конфокальная микроскопия, 4-π микроскопия, микроскопы STED, PALM, STORM и SNOM.

19) Применение программ квантово-химических расчётов для моделирования структуры и свойств нанообъектов. Идея моделирования "ab initio".