Фізичний експеримент як основа підготовки майбутнього фахівця за спеціальністю "Прикладна фізика та наноматеріали"

У роботі продемонстровано практичну цінність однієї з фахових дисциплін "Спеціальний фізичний практикум", яка вивчається при підготовці за освітньо-науковою програмою магістрів із спеціальності "Прикладна фізика та наноматеріали". Показано доцільність вивчення даної дисципліни у низці лабораторій, які об'єднані між собою за тематикою досліджень та складністю обладнання. Продемонстровано важливість проведення експерименту у різних лабораторіях та вказано на можливість дослідження фізичних величин взаємодоповнюючими методами. Підкреслено важливість та ефективність використання отриманих знань та навичок, як у навчальному процесі, так і на виробництві.

Ключові слова: спеціальний фізичний практикум, ІЧ-спектроскопія, комп 'ютерне моделювання, спектр відбивання, карбід кремнію, ефект Холла.

Physical experiment as a basis for the training of future specialists in the field of "applied physics and nanomaterials". Venger I., Venger E., Korsunska N., Melnichuk L., Melnichuk O., Khomenkova L.

Key words: special laboratory practicum, IR spectroscopy, computer simulation, reflection spectrum, silicon carbide, Hall effecФормування висококваліфікованих фахівців за спеціальністю "Прикладна фізика та наноматеріали" немислима без постійного удосконалення як фахової теоретичної підготовки з фізико - математичних дисциплін, так і набуття практичних навиків у проведенні експериментальних досліджень у лабораторіях ВНЗ та на виробництві. Особливе місце при організації фундаментальної навчання магістрів-фізиків належить ВНЗ. Після завершення навчання вони володіють достатніми вміннями і навичками для роботи на лабораторному обладнанні і здатні використовувати набуті компетенції при роботі з сучасними науково-дослідними комплексами у своїй подальшій професійній діяльності. Виконання лабораторного практикуму дозволяє не тільки забезпечити високий рівень загальної освіти, але й мати чітку професійну спрямованість з урахуванням міжпредметних зв'язків. фізичний експеримент підготовка фахівець

На сьогоднішній день існує низка наукових та методичних праць, у яких автори всебічно обґрунтовують необхідність подальшого вдосконалення методики проведення фізичного експерименту у спеціальних лабораторіях ВНЗ та її апробації на виробництві [1-11]. У зв'язку з цим питання розробки нових та удосконалення існуючих лабораторних практикумів щодо підготовки фахівців, які здатні володіти передовими технологіями, використовуваними у наукових дослідженнях та на виробництві, не викликають сумніву.

Метою даної роботи є використання у навчальному процесі при підготовці магістрів "Прикладної фізики та наноматеріалів" лабораторних практикумів, об'єднаних у спеціальний практикум з фізики на основі нових лабораторних робіт або модернізації існуючих шляхом проведення їх автоматизації.

Згідно з законом України про "Про вищу освіту", підготовка висококваліфікованого фахівця за спеціальністю "Прикладна фізика та наноматеріали" у ВНЗ відбувається за двома рівнями "бакалавра" та "магістра" [12], кожен з яких характеризується відповідною кількістю кредитів: від 60 до 240. Так, навчальний план у ВНЗ за освітньо-кваліфікаційним рівнем "бакалавр" для вказаної спеціальності передбачає здобуття студентом теоретичних знань та практичних вмінь і навичок, достатніх для успішного виконання професійних обов'язків за обраною спеціальністю [13]. Саме формування у студентів практичних умінь і навичок потребує різнорівневої розробки лабораторних практикумів, в тому числі і з курсу "Загальної фізики", провідне місце серед яких належить лабораторним практикумам з розділів "Механіка", "Молекулярна фізика та термодинаміка", "Оптика" тощо. До кожного з лабораторних практикумів авторами даної статті було підготовлено і опубліковано навчальні посібники з грифом МОН України [14-16], де представлено від 30 до 50 лабораторних робіт з кожної дисципліни. Проведений аналіз зрізів знань показав, що підготовка та виконання лабораторних робіт, описаних у вказаних навчальних посібниках, значно підвищила результативність і якість роботи студентів за освітньо-кваліфікаційним рівнем бакалавр. Це підтверджують і результати державної екзаменаційної комісії (ДЕК). Так, із звітів голів ДЕК випливає, що протягом останніх п'яти років спостерігається підвищення рівня теоретичних знань студентів, набуття навичок роботи з фізичним обладнанням, розширення фізичного кругозору і т.п. На підставі цього можна зробити висновок про доцільність та необхідність подальшого удосконалення і модернізації існуючих лабораторних практикумів, в тому числі проведення їх подальшої автоматизації та впроваджених у навчальний процес нових лабораторних робіт з використанням сучасних ЕОМ як пристроїв, здатних моделювати фізичні процеси, виходячи з конкретних теоретичних моделей.

Проте, значно складнішою є задача у підготовці лабораторних практикумів з різних напрямків сучасної фізики за освітньо-кваліфікаційним рівнем "магістр", що здобувається на другому рівні вищої освіти та присуджується ВНЗ в результаті успішного виконання здобувачем вищої освіти відповідної освітньої програми [12]. Саме для магістрів спеціальності "Прикладна фізика та наноматеріали" кафедрою фізики при НДУ ім. М. Гоголя розроблено і впроваджено у навчально-науковий процес нову дисципліну "Спеціальний фізичний практикум" (СФП), який складається з лабораторних практикумів, об'єднаних за тематикою досліджень у єдине ціле. Лабораторні роботи СФП розміщені в окремих лабораторіях, а саме: "Лабораторія дослідження електрофізичних властивостей напівпровідників", "Лабораторія оптики поверхні напівпровідників", "Лабораторія ІЧ-спектроскопії", "Лабораторія фізики твердого тіла", "Лабораторія обробки фізичного експерименту". Основним завданням СФП є формування у магістрантів експериментальних умінь і навичок, які необхідні при роботі у спеціальних наукових лабораторіях ВНЗ та на виробництві.

У кожній з перерахованих лабораторій СФП виконується від 5 до 10 лабораторних робіт. Основні критерії, що ставились при їх постановці, полягали, в першу чергу, в їх вагомості з точки зору зв'язку науки і виробництва та взаємозв'язку сучасної фізики з новими методами досліджень, сучасним фізичним обладнанням, методами проведення складного фізичного експерименту. Їх зміст відповідає основним принципам дидактики доступності, систематичності, науковості, наочності, професіоналізму тощо.

Усі роботи СФП є автоматизованими, що сприяє формуванню у магістрів різнобічних експериментальних умінь і навичок при роботі на сучасних установках, в тому числі при використанні інформаційно-комунікаційних технологій при обробці результатів досліджень. Проведена автоматизація лабораторних робіт СФП збільшує частину часу, необхідного для осмислення і інтерпретації отриманих даних, вивільняє час для проведення додаткових вимірювань, якщо з'явилися сумніви в достовірності попередніх, для постановки експерименту в нових, змінених умовах, якщо це потрібно для перевірки робочої гіпотези щодо інтерпретації експериментальних фактів.

Слід відмітити, що важливим елементом у підготовці фахівця із спеціальності "Прикладна фізика та наноматеріали" є використання в навчальному процесі сучасного наукового обладнання або автоматизованого існуючого та забезпечення кожного магістра, аналогічно, як і для бакалавра, якісними методичними матеріалами, особливо детальними інструкціями при роботі з високовартісними приладами. Обладнання, що використовується у СФП, є значно складнішим за прилади, що використовуються у лабораторних роботах курсу "Загальної фізики". Вказане обладнання є багатофункціональним і тому потребує додаткових умінь і навичок при роботі з ним. Багаторічний досвід показує, що даний рівень підготовки можна забезпечити у разі магістерських, а у деяких випадках - лише аспірантських освітньо-наукових програм і на всіх етапах формування особистості, де центральне місце повинно надаватися мотиваційній складовій самого фахівця. В свою чергу, професорсько- викладацький склад кафедри постійно працює над створенням системи випереджаючої підготовки конкурентоздатних фахівців з унікальним набором знань для виробництва та науково-дослідної роботи. Випускник магістратури повинен володіти навичками вимірювання фізичних величин, вміти визначати та аналізувати похибки вимірювань, проводити оцінку одержаних експериментальних результатів, здійснювати чисельні розрахунки фізичних величин і проводити їх аналіз при вирішенні поставлених завдань та обробці експериментальних результатів. Експериментальні навички і уміння, набуті при виконанні практикуму, повинні мати досить загальний характер з перспективою використання їх у подальшій професійній діяльності. Особливо актуальним є підбір лабораторних робіт, які різними незалежними методами дозволяють комплексно досліджувати властивості одного і того ж зразка, на основі чого робити висновок про можливість їх практичного використання.

В якості прикладу продемонструємо дві лабораторні роботи СФП, які побудовані на різних фізичних явищах і виконуються у різних фізичних лабораторіях, проте дозволяють визначати одні й ті ж електрофізичні параметри напівпровідників. Так, у "Лабораторії дослідження електрофізичних властивостей напівпровідників" та "Лабораторії ІЧ-спектроскопії" виконуються відповідно лабораторні роботи "Визначення концентрації і холлівської рухливості основних носіїв заряду" та "Дослідження напівпровідників методом спектроскопії зовнішнього ІЧ-відбивання". Як випливає з самих назв, це абсолютно різні за змістом і формою лабораторні роботи. Проте, отримані результати (у межах похибки) повинні узгоджуватись між собою, оскільки стосуються одних і тих же зразків. До кожної роботи розроблена інструкція, яка містить детальний опис установки, порядок виконання роботи, контрольні запитання та розширені теоретичні відомості. Згідно навчального плану дисципліна іде без лекційного супроводу, тому для більш глибокого оволодіння матеріалом магістри повинні самостійно опрацювати літературу, список якої подано після кожної роботи зокрема. Для кращого розуміння фізичних явищ до кожної лабораторної роботи розроблено мультимедійний супровід.

Більш детальний аналіз виконання лабораторних робіт було описано у працях [1, 17]. У даній роботі зупинимось на особливостях та відмінностях виконання лабораторних робіт СФП, пам'ятаючи, що основним завданням є необхідність продемонструвати практичні значення набутих знань, умінь та навичок, що виражається у одержанні конкретних фізичних величин, а саме: значень концентрації, рухливості та провідності досліджуваних напівпровідникових монокристалів різними методами, проведенні їх порівняльного аналізу та можливістю використання на виробництві.

Використаємо для досліджень у якості зразка гексагональні монокристалами карбіду кремнію 6H- SiC, який являється одним із найбільш розповсюджених політипів [18, 19]. Крім того, у лабораторному практикумі використовуються монокристали 6H-SiC, концентрація яких відома викладачу. Це значно спрощує перевірку достовірності отриманих даних двома незалежними методами.

При виконанні робіт лабораторного практикуму кожен із магістрів згідно з графіком, розробленим кафедрою та затвердженим директором навчально-наукового інституту точних наук та економіки, самостійно проводить експериментальні вимірювання на автоматизованому спектрофотометрі ИКС-31 з приставкою ИПО-22 та на установці Холла. Процес керування установками відбувається за допомогою ЕОМ. Обчислювальна техніка дає можливість створення абсолютно нового інструментарію для обробки вимірювань, розробки принципово нових дослідницьких робіт, отримання в них кардинально нових результатів, які не можуть бути досягнуті за умов застосування стандартного обладнання. Зареєстровані експериментальні дані зберігаються у базі даних на ЕОМ. Їх математична обробка здійснюється на будь- якій ЕОМ у середовищі MathCAD.

Розглянемо кожний із методів окремо і проведемо порівняльний аналіз отриманих результатів.

Лабораторія ІЧ-спектроскопії. На мал. 1 представлено науково-дослідний комплекс ИКС-31, на основі якого побудовано лабораторний практикум "Дослідження напівпровідників методом спектроскопії зовнішнього ІЧ-відбивання" для магістрів спеціальності "Прикладна фізика та наноматеріали".

На мал. 2 подано експериментальні (точки 1-3) та сімейство розрахункових (лінії) спектрів зовнішнього ІЧ-відбивання, отриманих при скануванні за плазмовою частотою у діапазоні від vp = 50 ^ 2400 см-1 та ІЧ-випромінювання v = 200 ^ 1400 см-1. Згідно джерел [18, 19], монокристали 6H-SiC задовільно моделюються одним осцилятором з частотою поперечного оптичного фонона vT = 797 см-1 при значеннях статичної та високочастотної діелектричної проникності відповідно є0 = 9,66 та є0 = 6,52. Теоретичні спектри (лінії) одержано за допомогою формул Гельмгольца-Кеттлера в середовищі MathCAD за методикою, описаною в [18-21]. Аналіз сімейства розрахункових кривих дозволяє прослідкувати залежності коефіцієнта відбивання від оптичних та електрофізичних параметрів системи є' і є'' - дійсної та уявної частин діелектричної проникності при врахуванні vp - частоти плазмонів, ур - коефіцієнта затухання плазмонів та уф - коефіцієнта затухання фононів.

Мал. 1. Вигляд установки під час роботи [1]

Провівши почергово розрахунок коефіцієнта відбивання R(v) за різних значень vp, ур, уф, магістр має можливість зробити висновок про вплив електрофізичних параметрів на ту чи іншу ділянку ІЧ-спектра відбивання. Так, різкий підйом (спуск) в R(v) спостерігається на частоті v = 780 см"1 (1000 см-1) при Rmax(v) = 0,986 (Rmin(v) = 0,0004). Зростання ур призводить до зменшення крутизни зміни залежності R(v) в області поздовжнього оптичного фонона vL. Аналізуючи отримані дані, магістр самостійно вибирає частотний діапазон, який є найбільш чутливим для монокристалів 6H-SiC до зміни концентрації, рухливості та провідності вільних носіїв зарядів.

Одне із завдань лабораторного практикуму для кожного магістра є визначення оптичних та електрофізичних параметрів напівпровідників з невідомими для них характеристиками на основі визначених параметрів плазмової частоти vp, коефіцієнта затухання плазмонів ур та фононів уф, використовуючи дисперсійний аналіз експериментальних та теоретичних спектрів ІЧ-відбивання [18, 19, 22].

Мал. 2. Спектр відбивання 6H-SiC. Лінії - розрахунок при E і C: уф =12 см-1; ур = Ур = 400 2400 см-1 (Дур = 50 см-1). Точки - експеримент: 1 - зразок ПСЕ-3Б, по = 5 1018 см-3; 2 - зразок C-5, по = 1,81019 см-3; 3 - зразок SC-1, по = 8,71019 см-3

Провівши дисперсійний аналіз сімейства кривих, представлених на мал. 2, магістр визначає параметри vp, ур, уф при умові найкращого узгодження 5 теоретичних R(v) з експериментальними. Цих даних достатньо, щоб за формулами (1) робіт [18, 22, 23] отримати значення концентрації, рухливості та провідності вільних носіїв зарядів у легованих монокристалах 6H-SiC, які представлені відповідно у табл. 1:

При виконанні лабораторного практикуму "Визначення концентрації і холлівської рухливості основних носіїв заряду” перед магістром ставиться завдання, яке полягає у вивченні теорії гальваномагнітних ефектів у напівпровідниках, ознайомленні з будовою та усвідомленні принципу роботи лабораторного комплексу, до якого входить установка Холла, а також набуття умінь і навичок у проведені експериментальних досліджень електрофізичних параметрів напівпровідників.

Таблиця 1

Лабораторія дослідження електрофізичних властивостей напівпровідників

Безпосередньо для дослідження використано леговані монокристали 6H-SiC, що мають розміри а = b = 8 мм, d = 3 мм і застосовувались у попередній лабораторній роботі.

На мал. 3 та 4 показано відповідно установку Холла та її схематичне представлення, що використовується при виконанні лабораторного практикуму. Дана установка дозволяє визначати в автоматизованому режимі концентрацію носіїв заряду, їх рухливість та питомий опір досліджуваного зразка. Основними складовими установки є електромагніт, джерело постійного струму Б5-45, комбінований цифровий прилад Щ4300 в якості міліамперметра для вимірювання сили струму в зразку, магазин опорів Р33, ключ К, зразок із напівпровідника з п'ятьма контактами (1-5). Для вимірювання холлівської різниці потенціалів UX та спаду напруги Uz на зразку використовується комбінований цифровий прилад Щ300.

Із теоретичних відомостей магістр повинен усвідомити, які саме фізичні процеси відбуваються та за яким принципом працює установка Холла і чому відбувається перерозподіл носіїв заряду в об'ємі напівпровідника під дією сили Лоренца.