Wykład

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów.

Podstawy fizykochemiczne budowy struktur krystalicznych o skali makro, mikro i NANO.

Rok akademicki 2009-2010

Program wykładu jest również dostępny na stronie ICM UW pod adresem: http://www.icm.edu.pl/web/guest/edukacja

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 06.10.2009, o godz. 9.15 w Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania UW w sali 3075 w budynku Wydziału Geologii UW, Al. Żwirki i Wigury 93 (http://www.icm.edu.pl/o_icm/lokalizacja.php ). 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) - 06.10.2009

- Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników elementarnych: diament. krzem, german

- Wzrost kryształów objętościowych półprzewodników złożonych: GaAs, InP, GaN, kryształy II-VI

2. Wzrost warstw epitaksjalnych półprzewodników na świecie i w Polsce (Michał Leszczyński) - 13.10.2009

- Wzrost warstw epitaksjalnych i zastosowania: elektronika, optoelektronika

- Perspektywy nowych zastosowań

Wykład w dniu 20.10.2009 r – nie odbędzie się.

3. Równowaga termodynamiczna (Stanisław Krukowski) 27.10.2009

- podstawy równowagi wielofazowej: temperatura, ciśnienie, potencjał chemiczny

- równowaga: faza gazowa – faza stała

- równowaga faza ciekła – faza gazowa

- równowaga układów wieloskładnikowych

4. Równowagowe własności powierzchni krystalicznych (Stanisław Krukowski) - 03.11.2009

- 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

-

5. Termodynamiczne ujecie procesów wzrostu (Stanisław Krukowski) - 10.11.2009

- 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.

6. Procesy kinetyczne na powierzchni (Stanisław Krukowski) - 17.11.2009 oraz 24.11.2009

- 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

7. Procesy transportu w fazie ciekłej i gazowej (Stanisław Krukowski) - 01.12.2009, 08.12.2009 oraz 15.12.2009

- konwekcja

- dyfuzja

- przewodnictwo cieplne

8. Domieszkowanie (Keshra Sangwal) - 18.12.2009

Wykład odbędzie się wyjątkowo w piątek o godz. 11.00 w sali 3089.

- włączanie defektów punktowych

- ujawnianie defektów punktowych

- naprężenia

- tworzenie wytrąceń obcej fazy

9. Dyslokacje i inne defekty rozciągłe (Keshra Sangwal) – 18.12.2009

Wykład odbędzie się wyjątkowo w piątek o godz. 13.00 w Sali 3089.

- naprężenia i tworzenie dyslokacji niedopasowania

- ujawnianie dyslokacji

- defekty płaskie i objętościowe

10. Wybór kształtu podczas wzrostu i jego stabilność (Jolanta Prywer) – 05.01.2010

Wykład odbędzie się wyjątkowo o godz. 14.00 w Sali 3089.

- teorie opisu kształtu

- morfologiczna stabilność – typy niestabilności

- ewolucja kształtu podczas wzrostu

- związek niestabilności morfologicznych z mikroskopowymi zjawiskami podczas wzrostu

11. Modelowanie procesów wzrostu w skali makroskopowej (Stanisław Krukowski) –12.01.2010

- Metoda skończonej różnicy - FDM

- Metoda skończonej objętości - FVM

- Metoda elementu skończonego - FEM

- Metody rozwiązywania równań nieliniowych

- Równania transportu

- Równania sprężystości

12. Modelowanie procesów wzrostu kryształów w skali atomowej (Stanisław Krukowski) – 19.01.2010

- Metoda Monte Carlo – obraz sieciowy

- Metoda dynamiki molekularnej

- Metoda funkcjonału gęstości - DFT

Semestr II

Wykład odbywać się będzie we wtorki, od 06.10.2009, o godz. 9.15 w Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania UW, w sali 3089 w budynku Wydziału Geologii UW, Al. Żwirki i Wigury 93 (http://www.icm.edu.pl/o_icm/lokalizacja.php ). Wyjątki, w postaci zmienionej pory wykładu, podobnie do I semestru, są zaznaczone na czerwono.

I. Wzrost kryształów objętościowych

1. Wstęp – mechanizmy transportu masy i ciepła; Z.R. Żytkiewicz (16 luty 2010)

2. Wzrost kryształów objętościowych z roztopu; T. Słupiński (23 luty 2010)

3. Metody wzrostu objętościowego z roztworu; T. Słupiński (2 marzec 2010)

4. Wzrost objętościowy z fazy gazowej; K. Grasza (9 marzec 2010)

II. Techniki wzrostu epitaksjalnego:

5. Epitaksja - wstęp; Z.R. Żytkiewicz (16 marzec 2010)

6. Wzrost epitaksjalny z fazy ciekłej; Z.R. Żytkiewicz (23 marzec 2010)

7. Epitaksja z fazy gazowej; M. Leszczyński (30 marzec 2010)

Wykład w dniu 6 kwietnia 2010 r – nie odbędzie się – wakacje wiosenne.

III. Metody charakteryzacji kryształów i struktur epitaksjalnych

Uwaga – kolejność wykładów Z.R. Żytkiewicza i B. Kowalskiego została zamieniona z powodu Konferencji NANOBIOM. Za zmianę przepraszamy.

8. Badania i charakteryzacja powierzchni; B. Kowalski (13 kwiecień 2010)

9. Epitaksja metodą wiązek molekularnych; Z.R. Żytkiewicz (20 kwiecień 2010)

10. Mikroskopia elektronowa; S. Kret (27 kwiecień 2010)

11. Rentgenowskie badania strukturalne; M. Leszczyński (4 maja 2010)

12. Transport w 2-d oraz 3-d strukturach półprzewodnikowych – własności elektryczne; J. Majewski (11 maja 2010)

IV. O niektórych szczególnych strukturach krystalicznych

13. Lateralny wzrost epitaksjalny, Z.R. Żytkiewicz (18 maja 2010)

14. Nanostruktury krystaliczne; J. Szczytko (25 maja 2010)

15. Badania własności optycznych; P. Perlin (1 czerwca 2010)

Uwaga – wykład Doroty Pawlak został przesuniety na 15 czerwca 2010.

16. Metamateriały; D. Pawlak (15 czerwca 2010)