Многокомпонентное 3D-проектирование наносистем. Книга 4

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

учебно-методических комплексов дисциплин 
по тематическому направлению деятельности 
национальной нанотехнологической сети 

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

Многокомпонентное 3D-проектирование наносистем 

БИБЛИОТЕКА «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

 
В семнадцати книгах 
 
 
 1. МЕТОДЫ МИКРОСКОПИИ 

 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 3. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 4. МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ 3D-ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСЕНСОРОВ 

 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ НАНОСИСТЕМ 

 9. МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 10. ЭЛИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ 

 11. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 12. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 13. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 14. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИКРО- 
И НАНОСИСТЕМ 

 15. БИОНАНОИНЖЕНЕРИЯ 

 16. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 17. САПР НАНОСИСТЕМ 

 
 
 
 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана 
Москва 2011 

Введение 
3 

А. В. Назаров 
 
 
 
 
 
 
МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ 
3D-ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 
 
 
Учебно-методический комплекс 
по тематическому направлению деятельности 
ННС «Наноинженерия» 
 
 
Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, 
члена-корреспондента РАН, профессора 
В. А. Шахнова 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 152200 «Наноинженерия» 
 
 
 

 

Многокомпонентное 3D-проектирование наносистем 

УДК 361.3.06; 621.382 
ББК 22.34 
 
Н19 
 
УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного контракта 
№ 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2-й федеральной 
целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии 
в Российской Федерации на 2008–2011 годы» 
 
Рецензенты: 

кафедра «Вакуумная электроника» Московского физико-технического 
института (зав. кафедрой, академик РАН  А. С. Бугаев); 
кафедра «Электроника и информатика» Российского государственного 
технологического университета им. К. Э. Циолковского 
(зав. кафедрой, профессор  С. Б. Беневоленский) 
 
 

Н19 

Назаров А. В.

Многокомпонентное 3D-проектирование наносистем : учеб. посо-

бие. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 392 с. : ил. (Библиотека «
Наноинженерия» : в 17 кн. Кн. 4).

 
ISBN 978-5-7038-3495-4 (кн. 4) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
Методические материалы по блоку дисциплин «САПР наносистем» содержат 
нормативную базу дисциплины, рекомендации по организации 
и проведению лекций и практических занятий, перечень типовых слайдов, 
плакатов и другие дидактические материалы для работы профессорско-
преподавательского состава по данной дисциплине, а также описание 
лабораторных работ, основные теоретические положения и общие методические 
рекомендации по проведению и организации лабораторного практикума. 
Методические указания по выполнению домашнего задания содержат 
описания домашнего задания по курсу, основные теоретические 
положения и общие методические рекомендации по его выполнению. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических учебных 
заведений по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем 
подготовки «Наноинженерия». Будет полезен всем, занимающимся вопросами 
нанотехнологий, наноинженерии, проектированием МЭМС и НЭМС, созданием 
электронных систем различного назначения. 
 
УДК 361.3.06; 621.382 
ББК 22.34 
 
 
 Назаров А. В., 2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3495-4 (кн. 4) 
 Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

Введение 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Успех в продвижении России по нанотехнологическому пути 
развития во многом будет зависеть от эффективности системы 
подготовки кадров, для создания и развития которой необходимо 
современное и качественное учебно-методическое обеспечение. 
Основная особенность нанотехнологии – её междисциплинарный 
характер, который требует особых методических приемов 
и подбора соответствующего научного и учебного материала. 
В настоящее время имеется существенная нехватка учебно-
методического обеспечения такого характера. Поэтому адаптация 
учебно-методического обеспечения для подготовки кадров по программам 
высшего профессионального образования для тематических 
направлений ННС и его апробация на базе ведущих университетов 
Российской Федерации направлены на реализацию инновационной 
модели образования, подразумевающую тесную связь 
учебного и научно-исследовательского процесса на базе проектных 
методов обучения, современных экспериментальных методик 
и перспективных технологических процессов создания наномате-
риалов, наноструктур, приборов, устройств и систем на их основе. 
Современные образовательные программы должны обеспечивать 
приобретение студентами профессиональных навыков и компетенций, 
необходимых для эффективной и самостоятельной работы 
в наноиндустрии. 
В связи с этим актуальной задачей является разработка и издание 
УМК, которые обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования по тематическому 
направлению деятельности ННС «Наноинженерия» образовательными 
учреждениями высшего профессионального образования 
на территории Российской Федерации. 
Целью создания данного комплекта УМК является повышение 
эффективности междисциплинарной подготовки бакалавров и магистров 
путем распространения передового опыта в разработке 

Многокомпонентное 3D-проектирование наносистем 

УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим 
направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного 
маршрутного 
обучения 
на 
базе 
адаптированного 
учебно-
методического комплекса дисциплин по тематическому направлению 
деятельности ННС «Наноинженерия». 
УМК разработаны коллективом авторов в рамках реализации 
федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры 
наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы». 
На базе представленных УМК создана вариативная система 
маршрутного междисциплинарного обучения студентов по тематическому 
направлению деятельности ННС «Наноинженерия», 
обеспечивающая подготовку квалифицированных специалистов 
с соответствующими профилями. Разработаны электронные версии 
учебно-методических комплексов дисциплин на основе Web-
версии, соответствующей стандарту SCORM 2004, 3rd edition 
(http://nanolab.iu4.bmstu.ru). 
Глубокую благодарность авторы выражают рецензентам: А. С. Бугаеву – 
академику РАН, заведующему кафедрой Московского физико-
технического института, и С. Б. Беневоленскому – профессору, 
заведующему кафедрой Российского государственного технологического 
университета им. К. Э. Циолковского, чьи замечания способствовали 
улучшению содержания УМК. 
Разработанные 17 УМК обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования 
по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подготовки «
Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего 
профессионального образования на территории Российской Федерации. 

Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию 
УМК, которые следует направлять по адресу: 105005, 
Москва, 2-я Бауманская ул., МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
 
В. А. Шахнов 

Введение 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АСМ 
– атомно-силовая микроскопия (атомно-силовой микроскоп) 

ГОС 
– государственный образовательный стандарт высшего 
образования 
ДНК 
– дезоксирибонуклеиновая кислота 
ДУ 
– дифференциальное уравнение 
ДУЧП 
– дифференциальное уравнение в частных производных 
ЖЦИ 
– жизненный цикл изделий 
ЗУ 
– запоминающее устройство 
ИНО 
– исследуемый нанообъект 
ИС 
– интегральная схема 
ИЭТР 
– интерактивное электронное техническое руководство 
КА 
– клеточный автомат 
КМ 
– компьютерное моделирование 
КНИ 
– кремний-на-изоляторе 
КП 
– компьютерное проектирование 
КРА 
– конечно-разностная аппроксимация 
КРС 
– квантово-размерные структуры 
КРЭ 
– квантово-размерные эффекты 
КТПП 
– конструкторско-технологическая подготовка производства 

КЭ 
– конечный элемент 
МА 
– микроканонический ансамбль 
МД 
– молекулярная динамика 
МКВ 
– метод конфигурационных воздействий 
МКНН – многокомпонентные 3D-наносистемы и наноустройства 
МКР 
– метод конечных разностей 
МКЭ 
– метод конечных элементов 
МЛЭ 
– молекулярно-лучевая эпитаксия 
ММ 
– молекулярная машина 
МПВ 
– метод постоянной высоты 
МПТ 
– метод постоянного тока 

Многокомпонентное 3D-проектирование наносистем 

МСМ 
– магнитно-силовая микроскопия 
МСНТ – многослойные нанотрубки 
МЭБ 
– молекулярная элементная база 
МЭМС – микроэлектромеханическая система 
НМ 
– наноструктурированные материалы 
НПМ 
– нанопористый материал 
НРС 
– наноразмерная структура 
НЭМС – наноэлектромеханическая система 
НС 
– наноструктура 
НТ 
– нанотрубка 
РАН 
– Российская академия наук 
РДС 
– реакционно-диффузионная среда 
РНЦ 
– республиканский научный центр 
ОДУ 
– обыкновенное дифференциальное уравнение 
ОСНТ 
– однослойные нанотрубки 
ПИ 
– панель инструментов 
П/П 
– полупроводник 
ПЭМ 
– просвечивающая электронная микроскопия 
РСМА – рентгеноспектральный микроанализ 
РЭМ 
– растровая электронная микроскопия 
САПР 
– система автоматизированного проектирования 
СБИС 
– сверхбольшие интегральные схемы 
СБОМ – сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия 
СВД 
– спектрометр волновой дисперсии 
СВЧ 
– сверхвысокие частоты 
СЗМ 
– сканирующая зондовая микроскопия 
СИФ 
– система итерированных функций 
СОВ 
– спин-орбитальное взаимодействие 
СТМ 
– сканирующая туннельная микроскопия (сканирующий 
туннельный микроскоп) 
СЭМ 
– сканирующая электронная микроскопия 
УМО 
– учебно-методическое объединение 
УНТ 
– углеродные нанотрубки 
УФ 
– ультрафиолет 
ФФ 
– функция формы 
ЧЭ 
– чувствительный элемент 
ЭСМ 
– электростатическая силовая микроскопия 

Введение 
9 

ВВЕДЕНИЕ 

Предмет «Многокомпонентное 3D-проектирование наносистем» 
изучается студентами в течение 5-го семестра. Программа курса 
предусматривает выполнение в течение семестра студентами, изучающими 
данный предмет, одного домашнего задания на тему 
«Построение фрактальных объектов в среде Delphi-7». Для выполнения 
домашнего задания необходимы навыки работы студентов 
по программированию в среде Delphi-7. Изучение данной методики 
и приобретение практических навыков работы студенты осуществляют 
в рамках лабораторных работ по данному курсу. 
Цель дисциплины – профессиональная подготовка студентов 
в области применения средств и методов многокомпонентного 
3D-проектирования наносистем и нанообъектов в наноинженерии. 
Материал курса является основой для изучения других дисциплин 
цикла, таких как «Проектирование наносенсоров», «САПР наноси-
стем» и ряда других, выполнения исследовательской части курсового 
проекта, курсовых работ по моделированию и проектированию 
наносистем и подготовки магистерской диссертации. 
Задачи дисциплины – формирование знаний, умений и навыков 
по моделированию наносистем, наноматериалов и нанострук-
тур с новыми функциональными возможностями и по компьютерному 
проектированию 3D-наносистем (наноустройств). 
Методологически дисциплина строится на основе оптимального 
соотношения теоретических и прикладных вопросов с обязательным 
участием студентов в самостоятельном исследовании особенностей 
проведения процессов проектирования наноструктур. 
Теоретические основы должны излагаться в такой мере, чтобы 
показать общие принципы основных методов компьютерного моделирования, 
их область применения, достоинства и недостатки. 
Краткое содержание соответствующих тем разделов, приводимых 
в методических указаниях к каждой работе, направлено на усиление 
мотивировочной стороны принимаемых студентом решений 
при выборе алгоритма и разработки программ моделирования 

Многокомпонентное 3D-проектирование наносистем 

нанообъектов, что способствует формированию у студента фундаментальных 
системных знаний, развивает творческие способности 
будущего специалиста. 
Прикладные вопросы должны ориентировать студентов на решение 
задач составления алгоритмов и программ адекватного моделирования 
наносистем и объектов, выбора прикладных пакетов 
и технических средств, обладающих максимальной эффективностью. 
Поэтому во всех работах предусмотрены примеры пошаговой 
разработки алгоритмов и примеры программ, реализующих 
выполнение моделирования заявленного в заглавии лабораторной 
работы физического процесса. 
Дисциплина «Моделирование объектов «среда–структура» 
охватывает основные вопросы по изучению и освоению методов 
математического моделирования нанотехнологических объектов 
«среда–структура», измерения различными методами и методиками, 
анализа результатов измерений, а также формулированию выводов 
по наиболее эффективному и адекватному их применению 
на практике. 
Методологически дисциплина «Моделирование объектов «среда–
структура» строится на основе оптимального соотношения теоретических 
и прикладных вопросов с обязательным участием студентов 
в самостоятельном исследовании особенностей моделирования 
на компьютере процессов, протекающих в нанообъектах 
и наносистемах. Программа дисциплины направлена на решение 
задач, которые ставятся перед специалистами в современных 
условиях проектирования наносистем, требующих широких знаний 
как в области проектирования и технологии производства 
наносистем, так и в области проведения вычислительного эксперимента. 
Лабораторные работы, включенные в состав дисциплины 
«Моделирование объектов «среда–структура», спланированы таким 
образом, чтобы студенты могли осознать, закрепить и расширить 
знания, полученные на лекциях, а также самостоятельно провести 
вычислительный эксперимент по моделированию наноси-
стем численными методами. 
Учитывая большое разнообразие численных методов решения 
дифференциальных уравнений, в состав курса «Моделирование 
объектов «среда–структура» включены лабораторные работы лишь 
по основным из них. Лабораторные работы ориентируют студентов 
на решение типовых задач исследования и анализа процессов 
в атомных структурах (ЛР № 1), процессов, протекающих при из-