Фізичні основи магнітоелектроніки
Спеціальність: Мікро- та наносистемна техніка (освітньо-наукова програма)
Код дисципліни: 7.176.01.E.019
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Напівпровідникова електроніка
Лектор: д.ф.-м.н., проф. Убізський Сергій Борисович
Семестр: 2 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування та розвиток у студентів компетентностей: Здатність розв’язувати складні задачі та проблеми під час професійної діяльності у сфері мікро- та наносистемної техніки або у процесі навчання, що передбачає проведення досліджень та/або здійснення інновацій та характеризується комплексністю та невизначеністю умов і вимог; Здатність до абстрактного мислення, аналізу та синтезу; Здатність спілкуватися державною мовою як усно, так і письмово; Здатність проводити досліджень на відповідному рівні; Здатність до пошуку, оброблення та критично аналізувати інформацію з різних джерел; Здатність генерувати нові ідеї (креативність); Навички міжособистісної взаємодії; Здатність спілкуватися з представниками інших професійних груп різного рівня (з експертами з інших галузей знань/видів економічної діяльності); Здатність аргументувати вибір методів розв’язання складних задач і проблем мікро- та наносистемної техніки, критично оцінювати отримані результати та аргументувати прийняті рішення; Здатність користуватися сучасними системами пошуку та аналізу науково-технічної інформації, проводити патентний пошук і дослідження та здійснювати захист інтелектуальної власності; Здатність розробляти і реалізовувати наукові та/або інноваційні проекти у сфері мікро- та наносистемної техніки, а також дотичні до неї міждисциплінарні проекти; Здатність планувати і виконувати теоретичні та експериментальні наукові дослідження у сфері мікро- та наносистемної техніки та з дотичних міждисциплінарних наукових напрямів.
Результати навчання: Після вивчення навчальної дисципліни студент повинен бути здатним продемонструвати такі результати навчання: Р1. Формулювати і розв’язувати складні інженерні, виробничі та/або наукові задачі під час проектування, виготовлення і дослідження мікро- та наносистемної техніки, оцінки можливості доведення отриманих рішень до рівня конкурентоспроможних розробок, створення конкурентоспроможних розробок, втілення результатів у бізнес-проектах; Р2. Визначати напрями, розробляти і реалізовувати проекти модернізації виробництва мікро- та наносистемної техніки з урахуванням технічних, економічних, правових, соціальних та екологічних аспектів; Р3. Оптимізувати конструкції систем, пристроїв та компонентів мікро- та наносистемної техніки, а також технології їх виготовлення; Р4. Застосовувати спеціалізовані концептуальні знання, що включають сучасні наукові здобутки, а також критичне осмислення сучасних проблем у сфері мікро- та наноелектроніки, для розв’язування складних задач професійної діяльності; Р5. Вільно спілкуватися державною та іноземною мовами усно і письмово для обговорення професійних проблем і результатів діяльності у сфері мікро- та наноелектроніки, презентації результатів досліджень та інноваційних проектів; Р6. Розробляти вироби та компоненти мікро- та наносистемної техніки, враховуючі вимоги до їх характеристик, технологічні та ресурсні обмеження; використовувати сучасні інструменти автоматизації проектування; Р7. Розв’язувати задачі синтезу та аналізу приладів та пристроїв мікро- та наносистемної техніки; Р8. Збирати необхідну інформацію, використовуючи науково-технічну літературу, бази даних та інші джерела, аналізувати і оцінювати її; Р11. Досліджувати процеси у мікро- та наноелектронних системах, приладах й компонентах з використанням сучасних експериментальних методів та обладнання, здійснювати статистичну обробку та аналіз результатів експериментів; Р16. Планувати і виконувати наукові і прикладні дослідження у сфері мікро- та наноелектроніки, обирати ефективні методи досліджень, аргументувати висновки, презентувати результати досліджень фахівцям і нефахівцям; Р17. Вміти застосувати системний підхід до досліджень і розроблення матеріалів, технології та приладів і пристроїв на їхній основі для мікро- та наносистемної техніки.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Попередні навчальні дисципліни:
Сучасні методи досліджень реальної структури матеріалів мікро-наносистемної техніки; Наноструктури.
Супутні і наступні навчальні дисципліни:
МЕМС та НЕМС у пристроях мікро- та наносистемної техніки;
Давачі на основі напівпровідникових мікро- та нанокристалів;
Управління структурою і властивостями напівпровідникових матеріалів і приладів.
Короткий зміст навчальної програми: Навчальна дисципліна «Фізичні основи магнітоелектроніки» присвячена опануванню знаннями щодо застосування магнітних явищ у пристроях і технологіях електронної, мікро- та наносистемної техніки та уміннями користуватися набутими знаннями. Особлива увага приділяється перспективам використання магнітних явищ у спінтроніці, сенсориці та біомедичних технологіях. Вивчення дисципліни складається з 30 годин лекцій, 15 годин практичних занять і 105 годин самостійної роботи студентів. При вивченні дисципліни студенти повинні виконати індивідуальні розрахункові завдання і доповісти результати на семінарі, виконати письмову контрольну роботу у вигляді тестів. Підсумкова атестація за дисципліною відбувається у формі диференційованого заліку з виставленням балів накопичених у підсумковому контролі.
Опис: Дисципліна охоплює такі теми:
Історія вивчення та застосування магнітних явищ у техніці та біомедичній галузі. Основні магнітні явища: Природа магнітного впорядкування. Магнітні фазові переходи. Спонтанна намагніченість та її температурна залежність. Петля гістерезису. Намагніченість та індукція насичення. Коерцитивна сила та залишкова намагніченість. Магнітна сприйнятливість та проникність. Магнітна анізотропія та її види. Анізотропія форми та коефіцієнт розмагнічування. Магнітні плівки, магнітні дротини. Стійкий рівноважний стан магнетика. Доменна структура магнетика та формування між доменних меж. Процеси намагнічування магнітних матеріалів. Розмірні ефекти у магнітних матеріалах. Суперпарамагнетизм. Магніторезистивні, магнітоімпедансні та гальваномагнітні ефекти. Спін-залежний транспорт електронів у металах та напівпровідниках. та фізичні основи спінтроніки. Динамічні властивості перемагнічування, магнітна релаксація. Дисперсія магнітної сприйнятливості у НВЧ діапазоні. Магнітні резонанси. Природа та види магнітооптичної активності, гіротропії та невзаємних ефектів. Загальна класифікація магнітних матеріалів. Магнітом’які матеріали: метали і сплави, ферити, монокристалічні та аморфні магнітні матеріали, епітаксійні плівки, магнітні наночастинки. Вимоги до магнітних матеріалів для різних застосувань. Методи визначення характеристик магнітних матеріалів – електромеханічні, індукційні, магнітооптичні, магніторезонансні; методи спостереження доменної структури магнетиків; особливості характеризації магнітних плівок та магнітних наночастинок. Пристрої прикладної магнітооптики – модулятори світла, вентилі, просторові модулятори дефлектори, перемикачі, магнітооптичні керовані транспаранти. Сенсори магнітного поля – індукційні сенсори магнітного поля, ферозонди, магніторезистивні сенсори магнітного поля, магнітооптичні та волоконно-оптичні сенсори магнітного поля; сучасні застосування магнітних сенсорів у техніці, неруйнівному контролі та системах біомедичної діагностики. Спінхвильова електроніка НВЧ та магноніка: пристрої НВЧ на основі феродіелектриків (магнітокеровані фільтри та лінії затримки, невзаємні елементи – ізолятори та циркулятори), перспективи розвитку магніоніки та оптомагноніки. Магнітний запис інформації магнітні запам’ятовуючі пристрої. Основи спінтроніки та комірки пам’яті на MTJ. Перспективи магнітного запису та «магнітної» пам’яті MRAM. Застосування магнітних явищ та магнітних наночастинок у біомедичних технологіях: магнітні поля біологічних об’єктів, переваги магнітних методів діагностики (магніт кардіографія, міографія, енцифалографія), магнітна сепарація, гіпертермія, контрастні агенти для МРТ, адресна доставка ліків та виведення токсинів, біохімічний аналіз за допомогою магнітних міток, магнітне управління біохімічними реакціями.
Методи та критерії оцінювання: Діагностика засвоєння знань студентом та досягнення програмних результатів навчання за дисципліною “Фізичні основи магнітоелектроніки” здійснюється у формі поточного контролю (100 балів), а семестровий контроль відбувається у формі диференційованого заліку із зарахуванням накопичених балів поточного контролю.
Поточний контроль відбувається під час аудиторних (практичних) занять шляхом оцінювання виконання і захисту студентами варіанту індивідуальної розрахункової роботи (ІРР) з власним варіантами вихідних даних (до 30 балів), письмової контрольної роботи у формі тестових завдань (до 60 балів) та шляхом фронтального та вибіркового опитування (до 10 балів).
Письмова компонента контрольної роботи є тестовими завданнями, які складаються із завдань трьох рівнів складності. Дев’ять завдань першого рівня (по 2 бали максимально) є тестами закритого типу на розпізнавання, розрізнення та класифікацію, правильна відповідь на які передбачає вибір альтернативних відповідей, відповіді з множини варіантів. Шість завдань другого рівня складності (по 4 бали максимально) складаються із тестів закритого типу і завдань множинного вибору або встановлення правильної послідовності. Чотири завдання третього рівня (по 7 балів максимально) є конструктивними тестами відкритого типу і включають завдання-доповнення та завдання вільного викладу. Максимальна кількість балів за тести кожного рівня складає 18, 24 та 28 балів, тобто за письмову відповідь студент може отримати 60 балів. Усна компонента при індивідуальному опитуванні дозволяє додатково виявити глибину знань студента, його здатність використовувати набуті знання, а також здібності до аналізу, синтезу, комунікації. При усному опитуванні кількість балів за письмову відповідь не може бути зменшена.
Критерії оцінювання результатів навчання: Виконання ІРР – 30 балів
Письмова контрольна робота – 60 балів
Усне опитування – 10 балів
Поточний контроль за дисципліною оцінюється у 100 бальній шкалі. Під час навчання здобувач повинен продемонструвати активну навчальну діяльність протягом семестру і за результатами поточного контролю набрати не менше 50 балів за виконання обов’язкових індивідуальних робіт та письмової контрольної роботи. Активна участь у процесі навчання (задавання запитань під час лекцій, активна участь в усних фронтальних опитуваннях тощо) оцінюється максимально до 10 балів за семестр, які входять у максимальну оцінку за поточний контроль 100 балів. Вірною відповіддю вважається точна, повна та несуперечлива відповідь на поставлене запитання. За не вірні відповіді під час фронтального та вибіркового опитування бали не виставляються.
Виконання завдань ОІР (Підготовка Звіту про пошук та первинний аналіз літературних джерел за темою магістерської роботи; Дослідження стану проблеми та підготовка огляду літератури за темою магістерської роботи; Підготовка методичного розділу магістерської роботи; Підготовка презентації та усної доповіді про стан дослідження за темою магістерської роботи) оцінюються максимально по 20 балів кожне, якщо воно виконане в межах семестру і представлений звіт повністю відповідає вимогам завдання. Не повне, не точне, не вірне виконання завдання ОІР чи контрольної роботи оцінюється зниженою оцінкою у залежності від характеру і кількості зауважень. Здобувачі після представлення результатів виконання ОІР і отримання попередньої оцінки можуть виправити свою роботу і повторно подати її для оцінювання. Остаточна оцінка виставляється наприкінці семестру.
Письмова контрольна робота за дисципліною виконується в останній тиждень семестру. Необов’язкове усне індивідуальне опитування після виконання письмової контрольної роботи дозволяє здобувачам пояснити і аргументувати її виконання та виправити зауваження перед отриманням остаточної оцінки.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: Навчально-методичне забезпечення
1. Віртуальне навчальне середовище НУЛП. “Фізичні основи магнітоелектроніки”. – Режим доступу: https://vns.lpnu.ua/course/view.php?id=6196.
2. Робоча програма навчальної дисципліни “Фізичні основи магнітоелектроніки”.
3. Конспект лекцій з дисципліни та їхні презентації.
4. Питання для самоконтролю за кожною темою.
5. Тестові завдання для письмової контрольної роботи.
6. Епітаксійні ферогранатові структури у пристроях магнітооптики. – Методичні вказівки до самостійної роботи з дисципліни «Фізичні основи магнітоелектроніки» для студентів спеціальності «Мікро- та наносистемна техніка». Укл. С.Б. Убізський – Львів, Національний університет “Львівська політехніка”,, 2018. – 50 с.
7. Епітаксійні ферогранатові плівки та їх застосування в електронній техніці. Методичні вказівки для студентів Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки. Укладачі: С.Б. Убізський, С.І. Ющук, С.О. Юр’єв, В.І. Бондар. – Львів, Національний університет “Львівська політехніка”, 2003. – 29 с.
8. Ядерний гамма-резонанс (ефект Мьосбауера). Методичні вказівки з курсу загальної фізики для студентів Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки. / Укладачі: С.І. Ющук, С.О. Юр’єв, С.Б. Убізський, М.Ф. Омелян. – Львів, Національний університет “Львівська політехніка”, 2003. – 25 с.
Рекомендована література
1. Товстолиткін О.І., Боровий М.О., Курилюк В.В., Куницький Ю.А. Фізичні основи спінтроніки: Навчальний посібник. – Вінниця, Нілан-ЛТД, 2014. – 500 с.
2. Куницький Ю.А., Курилюк В.В., Однодворець Л.В., Проценко І.Ю. Основи спінтроніки: матеріали, прилади та пристрої. Навчальний посібник. – Суми, Сумський державний університет, 2013. – 127 с.
3. Савицький В.М. Магнітні властивості речовини.: Навчальний посібник. – Х.: ХНУ імені В.Н. Каразіна, 2010. – 328 с.
4. Поплавко Ю.М. Основи фізики магнітних явищ у кристалах: Навчальний посібник. – Київ: НТУУ «КПІ», 2004. – 227 с.
5. Chikazumi S., Physics of ferromagnetism, Oxford University Press, 2009. – 655 p.
6. Jiles D., Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, CRC Press, 2015. – 576 p.
7. Ющук С.І., Юр’єв С.О., Ферогранатові плівки для мікроелектроніки. – Львів, Левада, 2021. – 225 с.
8. Мікроелектронні сенсорні пристрої магнітного поля / За ред. З.Ю. Готри / І. Большакова, М. Гладун, З. Готра, Р. Голяка, І. Лопатинський, Є. Потенцкі, Л. Сопільник – Львів, Вид-во Національного університету “Львівська політехніка”, 2001. – 412 с.
9. O'Handley R.C., Modern magnetic materials. Principles and Applications, Wiley, 2000. ¬– 740 p.
10. Xu Y., Thompson S., Spintronic materials and technology, Taylor & Francis, 2007. – 423 p.
11. Wang X., Metallic Spintronic Devices, CRC Press, 2014. – 243 p.
12. Atulasimha J., Bandyopadhyay S., Nanomagnetic and spintronic devices for energy-efficient memory and computing, Wiley, 2016. – 337 p.
13. Zacharias P., Magnetic Components: Basics andapplications, Springer, 2022. – 806 p.
14. T. Blachowicz, A. Ehrmann, Spintronics: Theory, Modelling, Devices, De Gruyter, 2024. – 308 p.
15. Magnetic Nanomaterials: Synthesis, Characterization and Applications, Editors: U.O. Aigbe, K.E. Ukhurebor, · R.B. Onyancha, Series: Engineering Materials, Springer, 2023. – 266 p.
16. Modern Magnetic Materials: Properties and Applications / Edited by I. Stoica, A.R. Abraham, A.K. Haghi, Apple Academia Press, 2024. – 327 p.
Інформаційні ресурси
1. A. Chumak, Introduction to Spin Waves, Vienna University, – Режим доступу: https://www.youtube.com/watch?v=V5b48utfpMQ.
2. A. Chumak, MAGNONICS – Lecture Series, Vienna University, – Режим доступу: https://www.youtube.com/playlist?list=PLdD_3zCk2ykbvol5n00djNOFqXJSzJReQ.
3. A. Chumak, Advanced Materials Lecture Advanced Materials Lecture: Nanomagnetism and Magnonics, Vienna University, – Режим доступу: https://www.youtube.com/playlist?list=PLdD_3zCk2ykbM9undabeTR6r9tB5vRvmw.
4. Основи спінтроніки: матеріали, прилади та пристрої [Текст]: навч. посіб./ Ю.А. Куницький, В.В. Курилюк, Л.В. Однодворець, І.Ю. Проценко. – Суми: СумДУ, 2013. – 127 с. – Режим доступу: http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/31807.
5. Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ [Текст]: підручник / Г.С. Воробйов, Г.О. Пономарьова, О.О. Рибалко та ін. – Суми: СумДУ, 2014. – 222 с.. – Режим доступу: http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/38840.
6. МІТ Open Course Ware:
6.1. Electrical, Optical & Magnetic Materials and Devices – Режим доступу: http://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-15-electrical-optical-magnetic-materials-and-devices-fall-2006/index.htm.
6.2. Electrical, Optical & Magnetic Materials and Devices – Режим доступу: http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-730-physics-for-solid-state-applications-spring-2003/.
6.3. Physics of Microfabrication: Front End Processing – Режим доступу: http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-774-physics-of-microfabrication-front-end-processing-fall-2004/.
6.4. Applied Superconductivity – Режим доступу: http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-763-applied-superconductivity-fall-2005/.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).