Лапшинский Сборник задач и заданий с ответами, решениями 2011

ликованы как официальные документы олимпиады, так и сообщения, статьи и рефераты студентов по популяризации достижений в области нанотехнологий и наноэлектроники6;

Диплом победителя олимпиады «Наноэлектроника»

 подготовили презентации по итогам, статистике и аналитике олимпиад в 2009/10 гг., с которыми

6 www.nano-e.ucoz.ru – неофициальный сайт олимпиады “Наноэлектроника».

11

выступили перед участниками олимпиад на церемониях награждения победителей и призеров;

создали видеофильмы и видеоклипы об олим-

пиадах 2009/10 гг., которые можно использовать в рекламных и профориентационных целях7;

разработали дизайн и оформление фирменных дипломов победителей и призеров олимпиад, которыми

ибыли награждены лучшие участники;

и, наконец, создали «Гимн олимпиады «Наноэлектроника»…

Составитель сборника хотел бы выразить благодарность всем студентам, которые с энтузиазмом занимались олимпиадными вопросами и делами и, одновременно, сыграли не последнюю роль в привлечении в университет новых поколений талантливых и заинтересованных в хорошем высшем образовании абитуриентов.

Естественно, что составитель сборника выражает свою самую искреннюю благодарность сотрудникам и преподавателям кафедры «Микро- и наноэлектроника» НИЯУ МИФИ, которые стали авторами задач и заданий олимпиады в 2009 и 2010 гг., сотрудникам факультета «Электроника» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» авторам задач и заданий в 2010 г.

И, наконец, составитель сборника выражает признательность за помощь и поддержку в подготовке, организации и проведении олимпиад декану факультета «Автоматика и электроника», заведующему кафедрой «Микро- и наноэлектроника» НИЯУ МИФИ профессору В.С. Першенкову, заместителю декана по профориентации факультета «Электроника» СПбГЭТУ ЛЭТИ доценту А.В. Андреевой, а также своей жене Ирине – за терпение.

7 http://nano-_ e.ucoz.ru/load/video/olimpiada_quot_nanoehlektronika_quot /pervaja_olimpiada_quot_nanoehlektronika_quot/42-1-0-33 – видеофильм об олимпиаде 2009 г. http://nano-e.ucoz.ru/news/nanoehlektronika_2010/2010-05-19-16 – видео-

фильмы об олимпиадах 2009 и 2010 гг.

12

БИБЛИОГРАФИЯ

Популярная литература (наноэлектроника и нанотехнологии)

1.Нанотехнологии. Азбука для всех / Под ред. Ю.Д. Третьякова. – М.: Физматлит, 2010. – 2-е изд., испр.

и доп. – 368 с.

2.Богданов К.Ю. Что могут нанотехнологии. – М.: Просвещение, 2009. – 96 с.

3.Андрюшин Е.А. Сила нанотехнологий: наука&бизнес. – М.: Фонд «Успехи науки», 2007. – 160 с.

4.Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое в малом. – М.: 2005. – 444 с.

5.Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: родословная форм и идей / НАУКУ – ВСЕМ! Шедевры научно-популярной литературы – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. 2-е изд. – 296 с.

6.http://nano-e.ucoz.ru/publ – Власов А.В., Власов Р.В.,

Макарова Н.В., Рудакова А.Б., Соловьев А.Ю., Соколов Г.О., Софинский И.А., Стариков А.Е. Шередеко Г.С. Азбука наноэлектроники: Сб. рефератов по курсу «Компьютерный практикум» на неофициальном сайте олимпиады «Наноэлектроника» НИЯУ МИФИ / под ред. В.А Лапшинского

7.Шахиджанян В.В. КомпьюЕрики шутят, или 1001 возможность улыбнуться, посмеяться, удивиться. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010. – 460 с.

13

Дополнительная популярная литература8

8.Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. – М.:

Атомиздат, 1969. – 272 с.

9.Айсберг Е.Д. Радио?.. Это очень просто! Пер. с французского М.В. Комаровой и Ю.Л. Смирнова– М.-

Л.: Энергия, 1967. – 208 с.

10.Айсберг Е.Д. Транзистор?.. Это очень просто! Пер. с французского Ю.Л. Смирнова– М.-Л.: Энергия, 1972.

– 3-е изд. – 188 с.

11.Мэрион Дж.Б. Физика и физический мир: пер. с англ. Под ред. Е.М. Лейкина и С.Ю. Лукьянова. – М.: МИР,

1975. – 624 с.

12.Фейнман Р. Характер физических законов: Нобелевская и мессенджеровская лекции / Пер. В.П. Голышева и Э.Л. Наппельбаума. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. – 176 с.

13.Фейнман Р. Дюжина лекций: шесть попроще и 6 посложнее: пер. с англ. – 3-е изд. - М.: БИНОМ,

2009. – 318 с.

14.Материалы из Википедии – свободно распространяемой энциклопедии

15.Взгляд в будущее электроники: по материалам журнала «iBusiness», апрель -май 2000. – с.80-81 – http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2345

8 В дополнительной литературе [36-52] приведены сборники задач, учебники по физике и популярные издания, которые помогли автору поступить в МИФИ в уже далеком 1969 году. На первый взгляд изданные в 1963-69 гг. книги давно уже устарели. Но это так только кажется! Готовя к изданию настоящий сборник, автор вспомнил свою абитуриентскую юность и полистал эти книжки еще раз. Книги, которые в свое время издавались в СССР для абитуриентов тиражами по 10-100 тыс. экземпляров, наверное, еще можно попытаться найти. И (как и раньше!) хорошо подготовиться к вступительным экзаменам в вуз или… к олимпиаде по наноэлектронике! Хотя популярные наноиздания (тиражи 500-100 экз.?!) тоже стоит изучить, не ориентируясь только на бесконечные наноэлектронные ресурсы Интернет.

14

16.http://www.3dnews. ru/editorial/it_beyond_si - В. Роман-

ченко Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния, 22.03.2009

17.Китайгородский А.И., Порядок и беспорядок в мире атомов. – М.: Наука, Гл. ред. «Физ.-мат.

литературы», 1977. – 176 с.

18.Марш П., Александер И., Барнетт П. и др., Не счесть у робота профессий: пер. с англ. / под ред. В.С. Гур-

финкеля. – М.: Мир, 1987. – 182 с.

19.Хоккинс Д., Блейксли С., Об интеллекте. – М.: ООО

«И.Д. Вильямс» - 2007. – 240 с.

20.Пенроуз Р., Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики / Пер. с англ. Под ред. В.О. Малышенко. Предисловие Г.Г. Малинецкого. 3- е изд. – Серия «Синергетика: от прошлого к будущему». – М.: Издательство ЛКИ, 2008. – 400 с.

Профессиональная литература (наноэлектроника и нанотехнологии) 9

21.Наноэлектроника. Часть 1. Введение в наноэлектронику / Под ред. А.А. Орликовского. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – 720 с. (Сер. Электроника)

22.Рамбиди Н.Г., Берѐзкин А.В. Физические и химические основы нанотехнологий. – М.: Физмат-

лит, 2009. – 456 с.

23.Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные материалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова. – М.: Физматлит,

2010. – 456 с.

9 По мнению авторов сборника, абитуриенту, который самостоятельно порешает или разберет предлагаемые в сборнике задачи (в будущем – студенту), стоит попытаться почитать современную профессиональную литературу, посвященную нанотехнологиям и наноэлектронике, что будет очень полезно.

15

24.Наноэлектроника /В.Е. Борисенко, А.И. Воробьева, Е.А. Уткина. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний,

2009. – 223 с.

25.Головин Ю.И., Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с.

26.Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / Под ред. В.В. Лучинина и Ю.М. Таирова. –

М.: Физматлит, 2006. – 552 с.

27.Карасев В.А., Лучинин В.В. Введение в конструирование бионических наносистем. – М.: Физ-

матлит, 2009. – 464 с.

28.Альтман Ю., Военные нанотехнологии. Возможности применения и превентивного контроля вооружений. – М.: Техносфера, 2006. – 424 с.

29.Балабанов В.И. Нанотехнологии: наука будущего. –

М.: Эксмо, 2009. – 232 с.

30.Методы получения и свойства нанообъектов / Н.И. Минько, В.В. Строкова, И.В. Жерновский, В.М. Нарцев. – М.: Флинта: Наука, 2009. – 168 с.

31.Климов В.В., Наноплазмоника. – М.: Физматлит,

2009 г., 480 с.

32.Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники: учебное пособие. – Новосибирск: Изд. НГУ, 2000. – 332 с.

33.Щука А.А. Электроника / под ред. проф. А.С. Сигова.

– СПб.: БХВ-Петербург, 2005 г., 800 с.

34.Ревич Ю.В. Занимательная микроэлектроника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2007 г., 592 с.

35.Хабловски И., Скулимовски В. Электроника в вопросах и ответах: Пер. с польского / Под ред. В.И. Котикова. – М.: Радио и связь, 1984 г., 304 с.

16

Литература для абитуриентов, решающих задачи по физике10

36.Муравьев С.Е. Задачи по физике олимпиады «Росатом» (с решениями и ответами). – М.: НИЯУ МИФИ, 2010. – 84 с.

37.Гамов Г., Стерн М. Занимательные задачи: пер. с англ. М.: Эдиториал УРСС, 2003. – 144 с.

38.Материалы вступительных экзаменов. Задачи по математике и физике / под ред. Н.Х. Розова и А.Л. Стасенко. – М.: Бюро Квантум, 1993. – 320 с. (Приложение к журналу «Квант». Выпуск 1.

39.Макеева Г.П., Цедрик М.С. Физические парадоксы и занимательные вопросы. – Минск: «Нар. асвета»,

1968. – 112 с.

40.Билимович Б.Ф. Физические викторины. Пособие для учителей. – М.: «Просвещение», 1967. – 160 с.

41.Зубов В.Г., Шальнов В.П. Задачи по физике. – М.:

Физматгиз, 1993. – 272 с.

42.Тарасов Л.В., Тарасова А.Н. Вопросы и задачи по физике. Анализ характерных ошибок поступающих во втузы / под ред. проф. Г.И. Епифанова. – М.: Высшая школа, 1968. – 239 с.

43.Бендриков Е.А., Буховцев Б.Б., Керженцев В.В., Мякишев Г.Я. Задачи по физике для поступающих в вузы. – М.: Издательство МГУ, 1966. – 336 с.

44.Понимаете ли вы физику? Задачи П.Л. Капицы. – М.: Изд-во «Знание», 1968. – 95 с.

45.Задачи и упражнения с ответами и решениями. Сер. «Фенмановские лекции по физике / под общей ред.

Л.П. Леванюка. – М.: МИР, 1969. – 624 с.

46.Жданов Л.С., Маранджян В.А. Курс физики для средних специальных учебных заведений. Часть первая. Механика и молекулярная физика. – М.:

10 К сожалению, большинство интересных для абитуриентов книг – это те которые издавались большими тиражами в прошлом.

17

«Наука», Главная редакция физ.-мат. литературы,

1968. – 464 с.

47.Селезнев Ю.А. Основы элементарной физики. Пособие для самообразования / Под ред. проф. Б.М. Яворского. – М.: «Наука», Главная редакция физ.-мат. литературы, 1966. – 408 с.

48.Физика: далекое и близкое: сост. В.Н. Тростников. -

М.: Знание, 1963. – 517 с.

49.Новожилов Б.В. Исследование недоступного. – М.: «Знание», 1964. – 50 с.

50.Фриш С.Э. Современная оптика. – М.: «Знание»,

1968. – 64 с.

51.Готт В.С. Пространство и время микромира. – М.: «Знание», 1964. – 40 с.

52.Компанеец А.С. Может ли окончиться физическая наука. – М.: «Знание», 1967. – 48 с.

В.А. Лапшинский,

ответственный секретарь олимпиады «Наноэлектроника»

18

«Кузнец становится кузнецом, куя, а абитуриент студентом – решая задачи!»

VAL

ГЛАВА 1. ЗАДАЧИ: очный этап олимпиады

Олимпиада 2009 года

ЧАСТЬ А. Физика наномира: электрические свойства нанообъектов

Электрическое взаимодействие нанообъектов, например, наночастиц, во многом определяет их свойства в наномире. Иногда эти свойства разительно отличаются от привычных. Примером этого может быть несоблюдение в определенных условиях классического закона Ома [2,6, 24].

Задача №1. Электрическая емкость наночастицы и земного шара. Какова электрическая емкость островка металла (такие структуры иногда называют квантовыми точками11), имеющего сферическую форму (рис.1.1) с радиусом R0 = 1 нанометр (нм).

Считайте, что островок металла находится в среде с диэлектрической проницаемостью, равной 1. Сравните электрическую емкость такой наночастицы с емкостью земного шара.

Задача №2. Заряд на островке металла. Насколько изменится заряд на островке металла, если к нему приложить напряжение с разницей потенциалов V = 1 В. Изменение

11 По определению лауреата Нобелевской премии, российского академика Ж.И. Алферова «квантовые точки – это искусственные атомы, свойствами которых можно управлять» [1].

19

заряда выразите через количество электронов. Необходимо объяснить ваш ответ.

Рис.1.1. Модель островка металла (платины12) на поверхности графена

Задача №3. Зарядка Земли одним электроном. 1. Какую энергию нужно затратить, чтобы зарядить металлический электрод (или конденсатор) емкостью С до разницы потенциалов V? 2. Какую энергию нужно затратить, чтобы зарядить островок металла радиусом 1 нм одним электроном? Выразите эту энергию в электрон-вольтах (эВ). 3. Сколько эВ требуется для зарядки Земли одним электроном?

ЧАСТЬ Б. Элементы интегральных микро- и наноэлектронных схем (ИМС и ИНС)

и устройства на их основе

Задача №4. Фотоприемная матрица на основе наногетероструктур. Определите спектральный диапазон (или диапазон длин волн) работы фотоприемной матрицы (рис.1.2) на основе наногетероструктур (рис.1.3)13 для следующих параметров квантовых ям (см. комментарий к задаче):

12Атомы платины представлены в виде шариков.

13http://www.nanometer.ru/2009/02/18/kvantovanie_60223.html#

20