Edukacja

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Podstawy fizykochemiczne budowy struktur krystalicznych o skali makro, mikro i NANO.
Rok akademicki 2011- 2012

Stanisław Krukowski, Michał Leszczyński

IWC PAN, Sokołowska 29/37 01-142 Warszawa

 

Zbigniew Żytkiewicz

IF PAN, Al. Lotników 32-46 02-668 Warszawa

 

Podstawa do obliczeń czasu:

teoria oraz modelowanie - I semestr = 15 wykładów po 2 godziny

metody doświadczalne i charakteryzacja - II semestr = 15 wykładów po 2 godziny

 

Wykład odbywać się będzie we wtorki, od 04.10.2011, o godz. 9.15 w Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego UW w siedzibie przy ul. Pawińskiego 5a, blok D, V pietro, w sali konferencyjnej (http://www.icm.edu.pl/web/guest/lokalizacja ). Wyjątki w postaci zmienionej pory wykładu są zaznaczone na czerwono.

 

Uzasadnienie

 

Rozwój technik informatycznych, min. stworzenie nowych przyrządów elektronicznych o rozmiarach rzędu nanometrów, powstawanie nowych technik diagnostyki molekularnej (np. dla potrzeb medycyny) wymaga opanowania podstaw metod wytwarzania nowych materiałów i struktur. Nowym aspektem tego kursu będzie ujęcie problemów wytwarzania oraz własności nano-struktur i nano-materiałów, tworzących wstęp do nanotechnologii. W szczególności więc dotyczy to podstawowych metod wzrostu kryształów, zarówno objętościowych, w skali makro, jak i struktur kwantowych o wymiarach mikro i nano. W chwili obecnej kursy fizyki, chemii czy inżynierii materiałowej w Polsce, zarówno w Warszawie, jak i w innych miastach, nie obejmują wykładów z dziedziny podstaw wzrostu kryształów. Proponowany poniżej program zawiera kurs podstaw wzrostu kryształów (zwłaszcza półprzewodników), zarówno w ujęciu teoretycznym, jak i przegląd głównych technik wzrostu oraz metod charakteryzacji. Zakładamy, że kurs ten nie będzie wyczerpującym opisem tematu. Będzie natomiast dawał wystarczające podstawy dla zrozumienia dziedziny, stanowiąc jednocześnie dobry punkt wyjścia dla dalszej samodzielnej nauki. Kurs jest planowany dla doktorantów i młodych pracowników naukowych. Może też być pożyteczny dla studentów IV i V roku studiów pod warunkiem jednak opanowania podstaw mechaniki kwantowej, mechaniki statystycznej i fizyki ciała stałego na poziomie uniwersyteckim. Na zakończenie rocznego cyklu wykładów przewidujemy wizytę studentów w laboratoriach wzrostu kryształów Instytutu Fizyki PAN i Instytutu Wysokich Ciśnień PAN w Warszawie. Pozwoli to na zapoznanie zainteresowanych studentów z istniejącą bazą eksperymentalną i ze szczegółami prowadzonych prac badawczych.

Kurs jest adresowany do doktorantów takich instytutów, jak: Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Instytut Fizyki PAN, Instytut Wysokich Ciśnień PAN, Instytut Technologii Elektronowej, oraz studentów i doktorantów Wydziałów Fizyki i Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, Wydziału Matematyczno-Przyrodniczego Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego oraz Wydziałów Inżynierii Materiałowej, Fizyki oraz Chemii Politechniki Warszawskiej.

 

Semestr I

 

  1. Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników na świecie i w Polsce (Michał Leszczyński) - 04.10.2011
    • Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników elementarnych: diament. krzem, german
    • Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników złożonych: GaAs, InP, GaN, kryształy II-VI
  2.  

  3. Wzrost warstw epitaksjalnych półprzewodników na świecie i w Polsce (Michał Leszczyński) - 11.10.2011
    • Wzrost warstw epitaksjalnych i zastosowania: elektronika, optoelektronika
    • Perspektywy nowych zastosowań

     

  4. Równowaga termodynamiczna (Stanisław Krukowski) 19.10.2011
    • podstawy równowagi wielofazowej: temperatura, ciśnienie, potencjał chemiczny
    • równowaga: faza gazowa – faza stała
    • równowaga faza ciekła – faza gazowa
    • równowaga układów wieloskładnikowych
  5.  

  6. Równowagowe własności powierzchni krystalicznych (Stanisław Krukowski) - 26.10.2011
    • równowagowy kształt powierzchni
    • równowagowa struktura powierzchni krystalicznych
    • powierzchnie kryształów rzeczywistych: relaksacja i rekonstrukcja
    • zjawiska elektryczne na powierzchni – stany i pola powierzchniowe
    • metody badań atomowej struktury powierzchni
  7.  

  8. Termodynamiczne ujecie procesów wzrostu (Stanisław Krukowski) - 08.11.2011
    • stany nierównowagi – pojecie lokalnej równowagi
    • mikroskopowe ujecie kinetyki procesów chemicznych – pojęcie równowagi cząstkowej
    • procesy dyfuzji
    • przesycenie i przechłodzenie
    • nukleacja homogeniczna i heterogeniczna - 2d oraz 3d.
  9.  

  10. Procesy kinetyczne na powierzchni (Stanisław Krukowski) - 15.11.2011 oraz 22.11.2011
    • procesy adsorpcji i desorpcji
    • procesy atomowe na powierzchni – dyfuzja powierzchniowa
    • wzrost na powierzchniach szorstkich
    • wzrost kontrolowany przez dwuwymiarowa nukleację
    • wzrost kontrolowany przez dyslokacje śrubowe
    • wzrost kontrolowany przez ruch stopni
    • kinetyka stopni
  11.  

  12. Procesy transportu w fazie ciekłej i gazowej (Stanisław Krukowski) - 29.11.2011 oraz 06.12.2011
    • konwekcja
    • dyfuzja
    • przewodnictwo cieplne
  13. Wybór kształtu podczas wzrostu i jego stabilność (Jolanta Prywer) - 13.12.2011
    • teorie opisu kształtu
    • morfologiczna stabilność – typy niestabilności
    • ewolucja kształtu podczas wzrostu
    • związek niestabilności morfologicznych z mikroskopowymi zjawiskami podczas wzrostu
  14.  

  15. Domieszkowanie (Keshra Sangwal) - 20.12.2011 - czas i data wykładu może ulec zmianie

    (wykład rozpocznie się o 11:30)

    • włączanie defektów punktowych
    • ujawnianie defektów punktowych
    • naprężenia
    • tworzenie wytrąceń obcej fazy
  16.  

  17. Dyslokacje i inne defekty rozciągłe (Keshra Sangwal) - 03.01.2011 - czas i data wykładu może ulec zmianie
    • naprężenia i tworzenie dyslokacji niedopasowania
    • ujawnianie dyslokacji
    • defekty płaskie i objętościowe
  18.  

  19. Modelowanie procesów wzrostu w skali makroskopowej (Stanisław Krukowski) - 10.01.2012
    • Metoda skończonej różnicy - FDM
    • Metoda skończonej objętości - FVM
    • Metoda elementu skończonego - FEM
    • Metody rozwiązywania równań nieliniowych
    • Równania transportu
    • Równania sprężystości
  20.  

  21. Modelowanie procesów wzrostu kryształów w skali atomowej (Stanisław Krukowski) - 17.01.2012
    • Metoda Monte Carlo – obraz sieciowy
    • Metoda dynamiki molekularnej
    • Metoda funkcjonału gęstości - DFT

 

 

Semestr II

Wykłady odbywać się będą we wtorki, od 14.2.2012, o godz. 9.15 w Sali Konferencyjnej w siedzibie Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania UW przy ul Pawińskiego 5a, blok D, V piętro

 

 

I. Wzrost kryształów objętościowych

1. Wzrost kryształów objętościowych z roztopu; T. Słupiński (14 luty 2012)

2. Metody wzrostu objętościowego z roztworu; T. Słupiński (21 luty 2012)

3. Wzrost objętościowy z fazy gazowej; K. Grasza (28 luty 2012)

II. Techniki wzrostu epitaksjalnego

4. Epitaksja - wstęp; Z.R. Żytkiewicz (6 marzec 2012)

5. Epitaksja z fazy gazowej; M. Leszczyński (13 marzec 2012)

6. Epitaksja metodą wiązek molekularnych; Z.R. Żytkiewicz (20 marzec 2012)

7. Epitaksja z fazy ciekłej; Z.R. Żytkiewicz (27 marzec 2012)

8. Lateralny wzrost epitaksjalny; Z.R. Żytkiewicz (3 kwiecień 2012)

III. Metody charakteryzacji kryształów i struktur epitaksjalnych

9. Rentgenowskie badania strukturalne; M. Leszczyński (17 kwiecień 2012)

10. Badania i charakteryzacja powierzchni; P. Kowalski (24 kwiecień 2012)

11. Mikroskopia elektronowa; S. Kret (8 maja 2012)

12. Transport w 2-d oraz 3-d strukturach półprzewodnikowych - własności elektryczne; J. Majewski (15 maja 2012)

13. Badania własności optycznych; P. Perlin (22 maja 2012)

14. Nanostruktury krystaliczne; J. Szczytko (29 maja 2012)