Примерный перечень вопросов к экзамену.
Содержание государственного экзамена
| Дисциплины (разделы) ГОС ВПО | Проверяемые дидактические единицы |
| Введение в нанотехнологии и материаловедение: | Нанотехнологии, наносистемы: основные понятия и определения. История нанотехнологий и наук о наносистемах. Основные особенности нанообъектов и наносистем, технологические приложения. Объекты, принципы и методы нанотехнологий. Наноматериалы и их классификация. Неорганические и органические функциональные наноматериалы. Гибридные (органо-неорганические и неоргано-органические) материалы. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурированные 1D, 2D и 3D материалы. Мезопористые материалы. Молекулярные сита. Нанокомпозиты и синергетические эффекты. Конструкционные наноматериалы. Основные представления о формировании наносистем: физические и химические методы. Классификация наночастиц и нанообъектов. Основные процессы получения нанообъектов. Механоактивация и механосинтез нанообъектов. Процессы зародышеобразования. Гетерогенное зародышеобразование, эпитаксия и гетероэпитаксия. Спинодальный распад. Синтез нанообъектов в аморфных (стеклообразных) матрицах. Методы химической гомогенизации (соосаждение, золь-гель метод, криохимическая технология, пиролиз аэрозолей, сольвотермальная обработка, сверхкритическая сушка). Методы получения и стабилизации наночастиц. Агрегация и дезагрегация наночастиц. Синтез наноматериалов в одно и двумерных нанореакторах. |
| Квантовая и оптическая электроника: | Способы описания и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона; физические основы взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами; энергетические состояния квантовых систем; оптические переходы, структура спектров; ширина, форма и уширение спектральных линий; оптические явления в средах с различными агрегатными состояниями; усиление оптического излучения; активные среды и методы создания инверсной населенности; насыщение усиления в активных средах; генерация оптического излучения; нелинейно-оптические эффекты; основные типы когерентных и некогерентных источников оптического излучения; физические принципы и основные элементы для регистрации, модуляции, отклонения, трансформации, передачи и обработки оптического излучения. |
| Основы технологии материалов: | Общая классификация материалов по составу, свойствам и техническому назначению; основные технологии производства неорганических и органических материалов, композиционных материалов; физические, химические и механические методы обработки; физико-химические основы создания материалов и изделий с заданными свойствами; фазовые равновесия и структурообразование в процессе получения и обработки; методы испытаний и диагностики материалов и изделий; средства и задачи обеспечения качества продукции. |
| Экспериментальные методы исследования и метрология: | Метрологические проблемы в исследованиях микро- и наноструктур: понятие многократного измерения и метрологического обеспечения; проблемы интерпретации электронно-микроскопических и микрозондовых изображений наноструктур, пространственное и энергетическое разрешение, приборные, схемные и системные ограничения, шумы; фундаментальные термодинамические и квантовомеханические ограничения на точность и величины измерений; статистические методы обработки результатов измерений физических и биологических объектов: точность измерений, классификация погрешностей и способов их обнаружения, функции распределения результатов наблюдения, математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение, доверительный интервал и доверительная вероятность, критерии согласия Пирсона и Колмогорова; основные параметры микро- и нанообъектов, регистрируемые в эксперименте: степень кристаллического совершенства, особенности энергетической структуры микро- и нанообъектов, особенности симметрии объектов, механизмы транспорта носителей тока, кинетические коэффициенты носителей тока в нанообъектах, оптические характеристики микро- и нанообъектов; физические принципы, положенные в основу измерений, определяющих параметры объектов исследования, физические ограничения экспериментальных методов определения геометрических, механических, концентрационных, оптических и электрических параметров физических и биологических систем; бесконтактные (неразрушающие) и контактные методы диагностики; методы измерения параметров объема физических и биологических тел; методы исследования свойств поверхности. |
| Физико-химия наноструктурированных материалов: | Термодинамика поверхности, процессы на поверхности и в приповерхностных слоях; адсорбция и десорбция; поверхностная энергия и ее анизотропия; реконструкция и релаксация поверхностей; обработка поверхности и условия сохранения ее свойств; механизмы роста на поверхности (механизм Странского-Крастанова и др.), основы физической химии наносистем; уравнения и характеристики условий термодинамической стабильности межфазных границ в наносистемах; особенности поверхностных процессов в микро- и наноструктурах: размерные эффекты и фазовые переходы; зародышеобразование, кластерообразование и формирование наноструктур; самоорганизация наноразмерных упорядоченных структур; физико-химические эффекты в туннельно-зондовой нанотехнологии; локальные химические электронно-стимулированные реакции. |
| Квантовая механика: | Принцип неопределенности; принцип суперпозиции; чистые, смешанные и запутанные состояния; операторы; волновая функция и матрица плотности; представления; общие свойства гармонического осциллятора; туннельный эффект; движение в центрально-симметричном поле; теория возмущений; спин; принцип тождественности одинаковых частиц; атом и периодическая система элементов Менделеева; молекула; обменное взаимодействие; самосогласованный потенциал и метод Хартри-Фока; метод функционала плотности; макроскопические квантовые явления; статистические распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна; бозе-конденсация и сверхтекучесть; квантование электромагнитного поля; квантовые измерения; взаимодействие квантовых систем с классическим окружением; квантовый компьютер; квантовые вычисления и унитарные преобразования; квантовый параллелизм; логические квантовые вентили. |
| Физика конденсированного состояния: | Симметрия и структура кристаллов; обратная решетка; уравнение Шредингера в периодическом потенциале; блоховская волновая функция; энергетические зоны; классификация кристаллов на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории; носители заряда в полупроводниках и металлах и модель газа свободных и независимых электронов; кинетические процессы в электронном газе; плазменные колебания и плазмоны; скин-эффект; квантовый электронный газ; энергия и поверхность Ферми; эффективная масса носителей заряда; дырки - носители заряда в валентной зоне полупроводников; колебания кристаллической решетки и фононы; теплоемкость решетки; тепловое расширение и теплопроводность; локальное поле и диэлектрическая проницаемость; механизмы поляризуемости кристаллов; оптические свойства ионных кристаллов; поляритоны; пироэлектрики и сегнетоэлектрики; парамагнетики и диамагнетики; обменное взаимодействие; ферромагнетики и антиферромагнетики; спиновые волны; концепция квазичастиц; фазовые переходы и дальний порядок; классические и квантовые жидкости; сверхтекучесть; сверхпроводимость и эффект Мейсснера; сверхпроводники I и II рода; теория Гинзбурга-Ландау; квантование потока в сверхпроводниках; эффект Джозефсона; микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера; тепловые и радиационные точечные дефекты в кристаллах; механизмы диффузии; дислокации; элементы теории упругости, тензоры деформаций и напряжений; жидкие кристаллы; полимеры; фракталы; теория протекания. |
По дисциплине «Введение в нанотехнологии и материаловедение»:
1. Неорганические и органические функциональные наноматериалы. Гибридные (органо-неорганические и неоргано-органические) материалы. Биоминерализация и биокерамика.
2. Наноструктурированные 1D, 2D и 3D материалы. Мезопористые материалы. Молекулярные сита. Нанокомпозиты и синергетические эффекты.
3. Основные представления о формировании наносистем: физические и химические методы.
4. Классификация наночастиц и нанообъектов. Основные процессы получения нанообъектов. Механоактивация и механосинтез нанообъектов.
5. Процессы зародышеобразования. Гетерогенное зародышеобразование, эпитаксия и гетероэпитаксия. Спинодальный распад.
6. Синтез нанообъектов в аморфных (стеклообразных) матрицах. Методы химической гомогенизации (соосаждение, золь-гель метод, криохимическая технология, пиролиз аэрозолей, сольвотермальная обработка, сверхкритическая сушка).
7. Методы получения и стабилизации наночастиц. Агрегация и дезагрегация наночастиц. Синтез наноматериалов в одно и двумерных нанореакторах.
По дисциплине «Квантовая и оптическая электроника»:
1. Способы описания и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона;
2. Физические основы взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами;
3. Энергетические состояния квантовых систем; оптические переходы, структура спектров; ширина, форма и уширение спектральных линий;
4. Оптические явления в средах с различными агрегатными состояниями; усиление оптического излучения;
5. активные среды и методы создания инверсной населенности; насыщение усиления в активных средах; генерация оптического излучения;
6. Нелинейно-оптические эффекты; основные типы когерентных и некогерентных источников оптического излучения;
7. физические принципы и основные элементы для регистрации, модуляции, отклонения, трансформации, передачи и обработки оптического излучения.
По дисциплине «Основы технологии материалов»:
1. Общая классификация материалов по составу, свойствам и техническому назначению;
2. основные технологии производства неорганических и органических материалов, композиционных материалов;
3. физические, химические и механические методы обработки;
4. физико-химические основы создания материалов и изделий с заданными свойствами;
5. фазовые равновесия и структурообразование в процессе получения и обработки;
6. Методы испытаний и диагностики материалов и изделий;
7. Средства и задачи обеспечения качества продукции.
По дисциплине «Экспериментальные методы исследования и метрология»:
1. Метрологические проблемы в исследованиях микро- и наноструктур: понятие многократного измерения и метрологического обеспечения;
2. проблемы интерпретации электронно-микроскопических и микрозондовых изображений наноструктур, пространственное и энергетическое разрешение, приборные, схемные и системные ограничения, шумы;
3. фундаментальные термодинамические и квантовомеханические ограничения на точность и величины измерений;
4. статистические методы обработки результатов измерений физических и биологических объектов: точность измерений, классификация погрешностей и способов их обнаружения, функции распределения результатов наблюдения, математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение, доверительный интервал и доверительная вероятность, критерии согласия Пирсона и Колмогорова;
5. основные параметры микро- и нанообъектов, регистрируемые в эксперименте: степень кристаллического совершенства, особенности энергетической структуры микро- и нанообъектов, особенности симметрии объектов, механизмы транспорта носителей тока, кинетические коэффициенты носителей тока в нанообъектах, оптические характеристики микро- и нанообъектов;
6. физические принципы, положенные в основу измерений, определяющих параметры объектов исследования, физические ограничения экспериментальных методов определения геометрических, механических, концентрационных, оптических и электрических параметров физических и биологических систем;
7. бесконтактные (неразрушающие) и контактные методы диагностики; методы измерения параметров объема физических и биологических тел; методы исследования свойств поверхности.
По дисциплине «Физико-химия наноструктурированных материалов»:
1. Термодинамика поверхности, процессы на поверхности и в приповерхностных слоях; адсорбция и десорбция; поверхностная энергия и ее анизотропия;
2. реконструкция и релаксация поверхностей; обработка поверхности и условия сохранения ее свойств; механизмы роста на поверхности (механизм Странского-Крастанова и др.), основы физической химии наносистем;
3. уравнения и характеристики условий термодинамической стабильности межфазных границ в наносистемах;
4. особенности поверхностных процессов в микро- и наноструктурах: размерные эффекты и фазовые переходы;
5. зародышеобразование, кластерообразование и формирование наноструктур;
6. самоорганизация наноразмерных упорядоченных структур; физико-химические эффекты в туннельно-зондовой нанотехнологии;
7. локальные химические электронно-стимулированные реакции.
По дисциплине «Квантовая механика»:
1. Принцип неопределенности; принцип суперпозиции; чистые, смешанные и запутанные состояния; операторы; волновая функция и матрица плотности; представления;
2. общие свойства гармонического осциллятора; туннельный эффект; движение в центрально-симметричном поле;
3. теория возмущений; спин; принцип тождественности одинаковых частиц; атом и периодическая система элементов Менделеева;
4. молекула; обменное взаимодействие; самосогласованный потенциал и метод Хартри-Фока; метод функционала плотности;
5. макроскопические квантовые явления; статистические распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна; бозе-конденсация и сверхтекучесть;
6. квантование электромагнитного поля; квантовые измерения; взаимодействие квантовых систем с классическим окружением; квантовый компьютер;
7. квантовые вычисления и унитарные преобразования; квантовый параллелизм; логические квантовые вентили.
По дисциплине «Физика конденсированного состояния»:
1. Симметрия и структура кристаллов; обратная решетка; уравнение Шредингера в периодическом потенциале; блоховская волновая функция;
2. энергетические зоны; классификация кристаллов на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории; носители заряда в полупроводниках и металлах и модель газа свободных и независимых электронов;
3. кинетические процессы в электронном газе; плазменные колебания и плазмоны; скин-эффект; квантовый электронный газ; энергия и поверхность Ферми;
4. эффективная масса носителей заряда; дырки - носители заряда в валентной зоне полупроводников; колебания кристаллической решетки и фононы; теплоемкость решетки;
5. тепловое расширение и теплопроводность; локальное поле и диэлектрическая проницаемость; механизмы поляризуемости кристаллов; оптические свойства ионных кристаллов;
6. поляритоны; пироэлектрики и сегнетоэлектрики; парамагнетики и диамагнетики; обменное взаимодействие; ферромагнетики и антиферромагнетики; спиновые волны;
7. концепция квазичастиц; фазовые переходы и дальний порядок; классические и квантовые жидкости; сверхтекучесть; сверхпроводимость и эффект Мейсснера; сверхпроводники I и II рода;
8. теория Гинзбурга-Ландау; квантование потока в сверхпроводниках; эффект Джозефсона; микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера;
9. тепловые и радиационные точечные дефекты в кристаллах; механизмы диффузии; дислокации; элементы теории упругости, тензоры деформаций и напряжений; жидкие кристаллы; полимеры; фракталы; теория протекания.
Структура экзаменационного билета:
Билет состоит из двух вопросов отражающих содержание образовательной программы по направлению 210600.62 «Нанотехнология».
1. Теоретический вопрос из дисциплин предметной подготовки (по дисциплинам: «Квантовая механика», «Физика конденсированного состояния»).
2. Теоретический вопрос отражающий специфику подготовки бакалавра (по дисциплинам: «Введение в нанотехнологии и материаловедение», «Квантовая и оптическая электроника», «Основы технологии материалов», «Экспериментальные методы исследования и метрология», «Физико-химия наноструктурированных материалов»).