CC BY
34
5. Материал редакции. Изменения в системе об- разования / В.Г. Подзолков. - Тула : Изд-во Тул. разования в 2018 г. [Электронный ресурс] -Элек- гос. пед. ун- та им Л.Н. Толстого, 1999.
трон. дан. - Режим доступа: ИНрэ^/ИНр:// 7. Фельдштейн Д.И. Глубинные изменения совре-
obrmos.ru/go/go_scool/Articles/go_school_ менного детства и обусловленная ими актуали-
2018_new_2.html. зация психолого-педагогических проблем разви-
6. Подзолков В.Г. Профессиональное развитие тия образования // Вестник образования. - 2011.
ОЭ
будущего учителя в условиях непрерывного об- - № 1 (26), Январь-март. -С. 44-51. О
CU
-0 Q-LQ
DEVELOPMENT OF AN ELECTIVE COURSE IN PHYSICS FOR STUDENTS OF SPECIALIZED CLASSES <
v
Tarasova Tatyana Aleksandrovna, PhD of Physical and Mathematical sciences, Associate Professor
Nemih Oiga Anatolevna, PhD of Pedagogical sciences, Associate Professor CI
Armavir State Pedagogical University, Armavir
The problem of improving the teaching of school physics course requires competent development and use of elective courses, which study sections that meet the current level of knowledge for high-quality professional training of future physicists. This in turn leads to the improvement and further development of the education system in the field of interdisciplinary training, which gives some knowledge in the field of physics, chemistry and other natural and human Sciences. Consideration of the issues of quantum mechanical theory and physics of semiconductors, consistent with the continuously accelerating pace of development of scientific technologies, and the use ofthin-film heterostructures, contributes to the motivation of systematic educational activities.
Keywords: educational system; elective course; physics; quality; research activity.
РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА ПО ФИЗИКЕ удк 378
ДЛЯ УЧАЩИХСЯ ПРОФИЛЬНЫХ КЛАССОВ ВАК РФ 13.00.02
Проблема совершенствования преподавания школьного курса физики требу- @ Тарасова Т.А., 2019
СО СО
ет компетентного развития и использования элективных курсов, в которых изучаются разделы, удовлетворяющие современному уровню знаний для качественной профессиональной подготовки будущих специалистов - физиков. Это в свою очередь влечет совершенствование и дальнейшее развитие системы образования в области междисциплинарной подготовки, дающую определенные знания в области физики, химии и других естественных и гуманитарных наук. Рассмотрение вопросов квантово-механической теории и физики полупроводников, согласуется с непрерывно ускоряющимися темпами развития научных технологий, и использования тонкопленочных гетероструктур, способствует мотивации систематической учебной деятельности. Ключевые слова: образовательная система; элективный курс; физика; качество; исследова тельская деятельность.
=S% КД7 Г
S
© Немых O.A., 2019 329
В настоящее время непрерывно ускоряющиеся темпы развития наукоемких технологий требуют целенаправленной подготовки высокотехнологичных кадров, владеющих качественным комплексом теоретических и практических базовых знаний и навыков. Это влечет совершенствование и дальнейшее развитие системы образования в области междисциплинарной подготовки, дающую определенные знания в области физики,химии и других естественных наук. Однако, на практике выпускники школ, в своем большинстве, не способны справляться с практической реализацией междисциплинарных программ.
Курс общей физики, изучаемый в общеобразовательной школе в том объеме и количестве отведенных часов, перестает удовлетворять современному уровню знаний для качественной профессиональной подготовки будущих специалистов - физиков.
Школьный курс физики носит в основном ознакомительно-описательный характер как курс концепций физики. Такой подход делает легкость преподавания и высокую успеваемость, но порождает почти абсолютное неумение решения практических задач, использования теории в понимании физических основ и
ТАРАСОВА Татьяна Александровна, кандидат физико-ма тема тических наук, доцент
НЕМЫХ Ольга Анатольевна,
кандидат педагогических наук, доцент
Армавирский государственный педагогический университет, Армавир
LU
s ^
о
LU
< ct
LU
* * *
330
принципов развивающихся современных технологий.
Одной из актуальных составляющих изучения курса физики в школе является повышение мотивации учащихся к систематической учебной деятельности на уровне осознанного практического использования физических законов, вместе с законами химии и математическим аппаратом.
Для создания условий реализации познавательных потребностей школьников необходимо совершенствование и развитие новых педагогических технологий, методов, определяющих уровень преподавания физики.
Наименее изученными в школьном курсе, в силу малого количества отводимых учебных часов, остаются разделы современной физики: физика атомного ядра, основы квантовой теории и элементы физики конденсированных состояний. Изучение этих разделов, в отводимом количестве часов, ведется на теоретическом (ознакомительном) уровне в виде формальных правил с описанием их применения на уровне (в лучшем случае) начала XX века, суть многих правил и предписаний остаются непонятыми, не раскрывается возможность их применения к практической деятельности современных технологий.
Реальной возможностью улучшения качества преподавания школьного курса физики, в соответствии с требованиями Федерального Госстандарта, - это в полной мере использование элективных курсов. В свою очередь,элективный курстребует разработки специальных программ и учебно-методических пособий, с учетом специализации курса по выбранному разделу с содержанием теоретического материала, несколько выходящим за рамки шкальной программы. Изучение и анализ основных вопросов основывается на имеющихся знаниях, в сочетании с применением смежных дисциплин, что способствует укреплению и расширению кругозора учащихся.
Содержание программы элективного курса, в которой рассматриваются вопросы кван-тово-механической теории и физики полупроводников, должно согласовываться с требованиями государственного образовательного стандарта, соответствовать профессиональным и мировоззренческим интересам учащихся; предоставлять широкие возможности разнообразной самостоятельной познавательной и исследовательской деятельности.
Предлагается краткое содержание программы элективного курса физики и теоретического материала.
Краткое содержание курса "Полупроводниковые гетероструктуры, их формирование " (10-11 классы, 68 часов). Пояснительная записка.
Наиболее перспективными и востребованными становятся технологии использования тонкопленочных структур, гетероструктур, переход размеров элементов к квантово-раз-мерным величинам.
Элективный курс рассчитан на учащихся профильных классов для изучения на более высоком уровне материала по теории физики конденсированных состояний и полупроводниковых гетероструктур. Программа элективного курса согласуется с требованиями государственного образовательного стандарта и содержанием междисциплинарных программ профильных школ.
Теоретический материал, рассматриваемый в элективном курсе, расширяет кругозор учащихся в области естественных наук и соответствует подходам решения комплексных задач фундаментального обучения.
Цель программы:
- показать использование теоретической обобщенности знаний по физике, математике и химии;
- формировать способности теоретического исследования, моделирования процессов и прогнозирование возможных результатов;
- развивать познавательный интерес и расширение знаний в области квантово-размер-ных полупроводниковых структур, гетеропереходов и их формирование.
Программа делится на разделы:
1. Выбор и исследование материалов, обладающих магнитными свойствами и полупроводниковыми свойствами, включающих [5]:
- развитие имеющихся знаний по физическому и химическому составу микрочастиц вещества;
- понятия и определения орбитальных и магнитных моментов атомов;
- исследование электронной структуры атома редкоземельного элемента £^европия.
2. Формирование гетероперехода [6,7]:
- получение магнитного полупроводника - ферромагнитного монооксида европия EuQ,
- электронная структура монооксида европия и его магнитные свойства;
- электронные процессы на поверхности (111) монооксида европия, выбор материала для компонентов гетероструктуры; формирование границы раздела гетероперехода.
Краткое изложение теоретического материала. Вводная беседа.
Современный этап развития науки отражает законы и закономерности как природы в целом, так и последовательно развивающиеся тенденции в технологии формирования микроэлектроники, переход от использования массивных полупроводниковых кристаллов к тонкопленочным структурам, к наномерным величинам.
Развитие нанотехнологий неразрывно связано с созданием полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур, которые продолжают оставаться в центре внимания разработчиков современной электронной техники, так [1, 8]:
- в энергетической области интенсивно внедряются и используются наногетерострук-турные фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи); развивается солнечная фотоэнергетика;
- в области создания элементной базы электронной техники и устройств, высокоэффективных полупроводниковых фотодиодов на основе наногетероструктур;
- в медицине, использование медико-биологические свойства наночастиц в целях диагностики; создание блоков медицинских станций диагностирования и др.;
- в оборонно-промышленной области, использование фотодетекторов на основе гетероструктур; преобразователей инфракрасного света в видимый свет; проектирование сетецентрических систем и во многих других областях.
Полупроводниковые гетероструктуры остаются основным объектом изучения для разработчиков и создателей современных микроэлектронной техники. Работы Нобелевского лауреата Ж. Алферова открыли физику гетеропереходов, которая развивается и совершенствуется уже более сорока лет и остается важным и актуальным объектом исследования.
1. Выбор и исследование материалов, обладающих магнитными свойствами. В первом разделе слушатели элективного курса получают сведения о полупроводниковых материалах, вовлекаемых в технологию формирования гетероструктур.
1.1. В последнее время наиболее перспективными материалами для создания гетероструктур, используемых в полупроводниковых и оптоэлектронных приборах, являются редкоземельные элементы: lsl96Eu63 -Europium; 158 92sTb6S — Terbium', 167 2£м68 - Erbium; 173 04Eu70—
-ШегЫит и их соединения. Перечисленные редкоземельные элементы семейства лантаноидов имеют сходство по физическим и химическим свойствам, которое объясняется близостью строения электронных оболочек. Отдельные соединения редкоземельных элементов обладают одновременно магнитными и полупроводниковыми свойствами.
В элективном курсе рассматривается один из редкоземельных элементов Еи-европий, как объект исследования, вовлекаемый в технологию получения гетероперехода.
Редкоземельный металл £^европий как и все кристаллические твердые тела, обладает высокой степенью упорядоченности, характеризующейся периодичностью, повторяемостью, дальним порядком во всем объеме, подчиняется законам симметрии. Строение кристаллической решетки неразрывно связано с магнитными свойствами вещества. В кристалле1 существует упорядоченность в ориентации магнитных и дипольных электрических моментов частиц. Магнитными моментами обладают электронные оболочки атомов и складываются из спиновых и орбитальных магнитных моментов. В кристалле европия проявление магнетизма обусловлено наличием этих (спиновых и орбитальных) магнитных моментов [2].
1.2. Орбитальный магнитный момент (Ц;г) -это динамическая характеристика частицы, связанной с вращательным движением в силовом поле, обладающим сферической симметрией, то есть движением электрона вокруг ядра. Орбитальный момент характеризуется положением орбиты, которая в свою очередь задается главным орбитальным числом /7=1, 2,... и определяется орбитальными квантовыми числами I, принимающими значения: 0, 1, 2,... в зависимости от заданного квантового числа п.
Орбитальные магнитные моменты определяются формулой:
К =
Nh
2т„с
= Hs;
оэ
1-й
О CU
-О Q-
Ш <
SÉ
СО
со
=s% кд7 Г
S
331
|е| - абсолютная величина значения элементарного электрическогозаряда, |е| = 1, 602-10"19;
i h
п - постоянная Планка, h = —, n = 1,0546 •
271
•10-34 Дж-с, h =6,626-10"34 Дж-с; те - масса покоя электрона те =9,11 «10-31 кг; |и,£ - магнетон Бора, является единицей измерения магнитного момента,
Цв = 927,4'1 (У26 Дж/ Тл, = 5,788'1()-5 эВ/Тл. (Тл. Тесла — единица индукции магнитного поля — 1Тл. = 1кг . !•<•'/.
Кроме орбитального момента электрон обладает собственным количеством вращательного движения, угловым моментом - спином (5), не связанным с движением электрона вокруг ядра. Спин - магнитный момент электрона (|13) может ориентироваться в магнитном поле так, что возможны только две равные и противоположные по направлению проекции на вектор напряженности Я внешнего поля. В соответствии с понятиями квантовой механики может принимать только дискретные значения (кванты) определяющиеся постоянной Планка /?. Спин электрона, то есть угловой момент - |т5| = 1/2 и измеряется в единицах /?.
Магнитные моменты спинов определяются формулой:
Рв = 2рБ\т1\ =Ц Б,
и, измеряются в магнетонах Бора.
Магнитные моменты спинов, выстраиваясь параллельно, могут меняться местами, таким образом, происходит обменное взаимодействие. Если направления параллельных спинов одинаковое, то проявляется ферромагнетизм, если направления параллельных спинов противоположное, то проявляется антиферромагнетизм. На упорядоченное расположение магнитных моментов влияет температура, в зависимости от величины которой, изменяются амплитуды колебания среды, и происходит разупорядочение, дезориентация магнитных моментов. Температура, при которой происходит дезориентация магнитных моментов, называется точкой Кюри (7р.
1.3. После проведенного краткого анализа понятий и взаимосвязи орбитального и спинового магнитного момента исследуется электронный остов атомов европия.
Европий является элементом переходной 4/труппы связанной с особенностями структуры электронной оболочки, с наличием в этой оболочке достраивающегося глубинного слоя.
Атом европия состоит из оболочек: Б,р, с/и /Г Ближайшая к атомному ядру 5-оболочка, содержит два электрона с антиспинами, во второй р-оболочке содержится 6 электронов с антиспинами, таким образом, что магнитный момент не создается, спиновые моменты скомпенсированы. В ¿/-оболочке и /юболочке, более удаленных от ядра, при полном заполнении содержаться соответственно по 10 и 14
электронов. Если с/ и /^оболочки частично заполнены, то возникает магнитный момент, имеющий значительную величину.
Электронная структура двухвалентного атома европия £1/+ в основном состоянии имеет вид:
Ь2 2а22р6 3э23р63с}10 4*24р64с1104/7 5э25р65сР 6э2.
Наибольший спин - магнитный момент <У-оболочки возникает тогда, когда все электроны имеют магнитные спиновые моменты, направленные в одну сторону. В /юболочке для Еи*+ однонаправленных магнитных моментов электронов семь, спин - магнитный момент
со сферической электронной конфигурацией мало подвержен влиянию кристаллического поля.
Проводя исследование конфигурации электронной структуры, видно, что 5сР- оболочка атома европия незаполненная, это усложняет явление электронных переходов и приводит к необходимости учитывать {5-с/)~ переходы, которые также, как (/чз5- переходы направлены на образование энергетических максимально устойчивых ¿/-конфигураций. Учет (/чз) - переходов является первым приближением к распределению электронов.
На занятии элективного курса выполняется приближенный расчет энергии перехода [4^--4^5с1), оценивается максимальный статистический вес /^конфигурации (считая у европия Р - 0,6%).
Так же можно предложить слушателям курса исследовать конфигурацию электронной структуры гадолиния йс/, эрбия £гили другого редкоземельного элемента.
При образовании некоторых соединений 5с/7-оболочки европия частично заполняются, тем самым, усиливая магнитные свойства соединений. В кристалле европия магнетизм обусловлен и спиновыми, и орбитальными магнитными моментами.
Обменное поле европия возникает между соседними магнитными атомами в результате взаимодействия /"-электронов. В обменном процессе, в основном,участвуют спиновые моменты электронов и электрические силы, при этом возникают квантовые электростатические взаимодействия. Обменную энергию можно оценивать по температуре Кюри [2].
2. Формирование гетероперехода
2.1. Для получения материала с высоким магнитным насыщением и одновременно обладающего полупроводниковыми свойствами используется монооксид европия ЕиО.
Монооксид европия (ЕиО) характеризуется простой кристаллической структурой, отсутствием орбитального момента ионов в конфигурации 4^; резкой зависимостью магнитных свойств от небольших внешних взаимодействий или направленного изменения электронной структуры, ферромагнетизмом, зонным характером проводимости и свойствами, связанными с обменными взаимодействиями носителей заряда и магнитных ионов. Вместе с перечисленными достоинствами имеется существенный недостаток - низкотемпературный интервал применения, то есть невысокую точку Кюри [Тс- монооксида европия составляет около 69,5 К). Одним из способов повышения температуры Кюри является образования магнитных примесных состояний. Использование вместо кристалла ЕиО тонких нанометровых (пленочных) слоев позволяет повысить температуру Кюри и сохранить полупроводниковые свойства материала.
2.2. Из данных рентгеноструктурного анализа [2] монооксид европия имеет кубическую гранецентрированную решетку типа ИаС1. В идеальной бездефектной решетке каждый атом европия окружен правильным октаэдром атомов кислорода с координационным числом z= 6.
Определение электронной структуры монооксида европия является не простой задачей и требует одновременного учета коллективизированных 02р-\л Еи5с/-, 55состояний, образующих валентную зону и полосу проводимости магнитных полупроводников и сильно поляризованных 4/г-состояний, экранированных заполненными оболочками. Спин-орбитальные взаимодействия намного слабее внутреннего обмена, суммарного спина электронов (5) и суммарного орбитального момента (I), поэтому можно считать, что спин-орбитальные взаимодействия в кристалле ЕиО фиксированными. Величина полного момента (/) может изменяться от величин суммы суммарного спин электрона и суммарного орбитального момента + до их разности
Магнитное упорядочение влияет на характер движения носителей заряда. Концентрация носителей заряда может существенно влиять на магнитное упорядочение. Такое влияние обеспечивает взаимное управление электронной и магнитной подсистемами в
кристалле ЕиО. Локализованные электроны входят в состав частично заполненных с!- и /г-оболочек, а связь между ними осуществляется свободными электронами проводимости. Свободные электроны делают возможным магнитное упорядочение и определяют его характер. При движении по кристаллу они переносят взаимодействие между спинами локализованных электронов. В приповерхностном слое и приповерхностной области полубесконечного ферромагнитного кристалла ЕиО реализуется сложная обменная ситуация.
Определение параметров обменного взаимодействия и температур магнитных фазовых переходов выполняется непосредственным расчетом энергии элементарных магнитных возбуждений. Обменные Еобм энергии определяются формулой:
где энергетические параметры обмена; 5. и 5,- суммарные спины электронов.
2.3. Одной из целей разработчиков материалов, обладающих магнитными и полупроводниковыми свойствами, является повышение температуры Кюри. Использование вместо кристалла монооксида европия тонких пленочных слоев позволяет повысить температуру Кюри и сохранить полупроводниковые свойства. Пленочному состоянию могут отвечать поверхностные состояния скола (разрушения) кристалла ЕиО по атомным плоскостям кристаллической решетки. Атомные плоскости кубических кристаллических решеток определяются индексами Миллера [3]:
На приведенных рисунках показаны основные плоскости кристаллической решетки. Плоскости вида {111} подвергаются наиболее легкому разрушению или сколу.
Рассмотрим поверхность идеального скола кристалла ЕиО в направлении 111 . Полупроводниковый слой поверхности (111),толщиной не более 1 мкм, монокристалла европия отвечает пленочному состоянию. Однако в приповерхностном слое, в отличие от тонких пленок такой же толщины, магнитное упорядочение существует при Т Ф 0. Поверхностные спино-
LU
s ^
о
LU
< ct
LU
* * *
334
вые волны (магноны) которые могут вызвать разупорядочение, имеют глубину проникно-г г
вения в объем при р о {р - поверхностный квазиимпульс). Этого условия достаточно для стабильности поверхностного ферромагнетизма при конечных температурах. В отличие от монокристаллов пленки ЕиО обладают большим значением магнитокристаллической анизотропии, то есть наличием "легкого" намагничивания в плоскости пленки и "трудного" в направлении перпендикулярном к ее плоскости.
Повышение температуры Кюри, за счет обмена через электроны проводимости, можно получить, увеличив концентрацию вакансий кислорода. Каждая такая вакансия дает в зону проводимости один электрон. Для повышения температуры Кюри наиболее простым и экономически выгодным способом является увеличение числа дефектов путем "возмущения" одной из самых энергетически стабильных поверхностей [111] монокристалла ЕиО. При сечении плоскостью (111) кристалла ЕиО пересекается одна из наиболее сильных связей sf.f-орбиталей атомов кислорода. При разрыве этих связей возникает свободная отрицательная валентность, направленная перпендикулярно плоскости (111). Оборванные связи кислорода на поверхности (111) означают наличие "дырок", то есть у каждого такого иона кислорода один электрон изъят из замкнутой оболочки.Такая "дырка", следовательно, может трактоваться как свободная отрицательная валентность.
Если на активную кристаллографическую поверхность (111) ЕиО будут нанесены атомы металла, то при этом ожидается изменение концентрации носителей тока в приповерхностном (пленочном) слое, появление магнитных примесных состояний и образование гетероперехода.
2.4. По своим физическим и химическим свойствам, в частности по размерам атомных остовов (г « 1,19А), по с значениям постоянных решеток, металлического и ионного радиусов и ряду других параметров, европий имеет сходство сдвухвалентным щелочноземельным элементом - стронцием Sr. Сходство и различие параметров стронция и европия открывают возможность исследования их влияния на физико-химические свойства монооксидов SrOv\ ЕиО.
УЬовень вакуума
Металл <Pi Sr
Двухвалентный атом стронция в основном состоянии имеет следующую электронную структуру:
Is2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p6 5s2,
в наружном квантовом слое содержится два валентных электрона (i2).
С не металлическими элементами стронций соединяется весьма энергично с выделением значительного количества энергии и, как все щелочноземельные элементы, образует соединения только в состоянии окисления (окислительный потенциал S^ равен 2,89 В). Атом стронция на поверхности (111) £о0образует с ионами кислорода валентно насыщенное соединение монооксид SrO. Монооксид стронция, также как и европия имеет структуру типа NaCIи пространственную группу ЕтЗт, а также близкие по величине периоды кристаллических решеток (aSr0= 5,160А; аЕи0= 5,144А).
Слушателям элективного курса предлагается самостоятельно провести исследование схемы образования молекулы монооксида стронция SrO на сколе (111) монооксида европия, обосновать присутствие молекул как ЕиО, так и SrO в приповерхностном слое и вычислить сродство к электрону каждого элемента соединения Sr-EuO. (По результатам проведенного исследования, электронное сродство ЕиОпр\л-мерно равно 2,1 эВ).
Образовавшийся приповерхностный слой Sr-EuO пред ста вляет собой гетеропереход с ге-терограницей SrO. Осаждение атомов стронция на поверхность (111) магнитного полупроводника ЕиО имеет свою специфику, которая выражается в сильном обменном взаимодействии электронов немагнитного атома стронция со спинами ионов европия.
Металл Sr
X*
ф2
Магнитный полупроводник ЕиО
Ее
Рассмотрим гетеропереход 5г-ЕиО.
На рисунках показана диаграмма энергетических уровней контакта стронция с магнитным полупроводником ЕиО р-типа; а) до контакта, б) после контакта.
Используя экспериментальные данные из работ Губанова [2] для потенциала ионизации £и2+С7-ф2»7,68 эВ и считая работу выхода в
стронции равной первому потенциалу ионизации ф1 = 5,69 эВ, слушателями элективного курса выполняется исследовательская работа по расчету потенциального барьера Шоттки. Высота барьера фв будет определяться разностью потенциала ионизации стронция и электронного сродства ЕиО (ф,-Х2) и примерно равна 3,59 эВ. Такую оценку можно сделать, учитывая, что толщина гетерограницы (Д) сравнима с межатомными расстояниями и проницаема для электронов гетерограницы.
Вблизи контакта с магнитным полупроводником ЕиО и металлом Бг образуется тонкий инверсионный слой (~ юА - 1,5 нм), тип проводимости которого противоположен типу проводимости полупроводника. В таком слое высокое электрическое сопротивление и образуется потенциальный барьер Шоттки. Образование барьера обусловлено разностью работ выхода электронов из металла и полупроводника под воздействием различных внешних энергий. Электроны, переходящие из металла в полупроводник, должны пройти через барьер Шоттки. Величина этого барьера может изменяться при подаче напряжения разной полярности также, как и в р-/т-перехо-де. Потенциальный барьер понижается, если приложить положительное напряжение к ЕиО и отрицательное к стронцию, при перемене знаков напряжения контакт будет омическим.
Монооксид европия относится к магнито-мягким ферромагнитным материалам, значение анизотропии которого равно 15,2 кА/м [5]. Магнитная восприимчивость в £[/0зависит не только от температуры, но и от его состава. Изменения концентрации кислорода будут влиять на энергетический электронный спектр, на обменные взаимодействия, на магнитные характеристики в области фазового перехода. В то же время при введении небольшого количества избыточного кислорода намагниченность ЕиО будет сохранять свои параметры, так как сохраняется упорядочение ионов £[/+ в чередующихся плоскостях параллельных плоскости (111), а избыточные атомы кислорода будут размещаться в межузельях октаэдрических комплексов. Таким образом, изменяя стехиометрический состав ЕиО]+х, можно получать полупроводниковые свойства р-типа при незначительном избытке атомов кислорода. В свою очередь, легируя стронций атомами кислорода, можно получать такой нестехиометрический состав 5г1_хО]/ который будет соответствовать полупроводниковым свойствам /7-типа с узкой запрещенной зоной [6].
Изменяя параметры состава х в интервале (0,1 > х > 0,х = 0,06), ширина запрещенной зоны увеличится. Гетеропереход легко образуется и устойчив, на основе двух полупроводниковых монооксидов 5>-094С006 и ЕиО^. Полупроводник 5г094С006 будет являться узкозонным, в котором каждый четвертый атом стронция обменивается электронами с атомом кислорода, а остальные атомы остаются металлическими. При таком составе имеется определенная концентрация свободных электронов, которые под действием внутрикристал-лического поля системы (с учетом магнитных атомов европия) будут "подмагничиваться", образуя антиферромагнитные микрообласти в полупроводниковом слое 5/"094С?006.
В контактном слое полупроводник - полупроводник 5г09ЛО006-ЕиО] 06. возникает контактная разность потенциалов (I/, 1А), которая будетуравновешиваться путем рекомбинации ; носителей заряда. Электроны из зоны проводимости будут "захватываться" уровнями, находящимися в запрещенной зоне (примесные и 4/г-уровни), а затем переходить в валентную зону. Энергетические флуктуации при этом своим частотным спектром будут способствовать установлению энергетического равновесия, это приведет к разрывам валентных зон и зон проводимости. Уровни Ферми должны будут занимать одинаковое энергетическое положение относительно уровней вакуума
4,94 4,06 И ЕиО,0,
В полупроводниковом гетеропереходе,
вблизи границы, имеются обедненные области толщиной с/=хд-х1 и с/2=х2-ха Из закона сохранения заряда следует, что (х(]-х1)Ы1 = (х-х^ ДА,
5ГО,940О,06 I ЕиО^об
XI 0 х2
оэ
1-й
о
СХ1
-О 0-
ш <
со со
КД7 Г Ё
335
На рисунке показано схематическое изображение резкого анизотипного перехода 4,94 °о.об ~ -V " толЩина обедненного
электронами слоя со стороны 5г094 О006; х2-х0 -ширина обедненного дырками слоя со стороны ЕиО]06; Бг0 - прозрачная диэлектрическая прослойка.
Одним из граничныхусловий будет являться непрерывность электрической индукции на границе раздела, то есть 61£]=62£2. Координаты обедненных слоев обозначим (х^ х^, как показано на рисунке, запишем в в виде:
-Ха —
2М1е1в270
еЫ2(Ы{г] + ъ2Ы2)
1Ы2в]г7уг>
где е-заряд электрона;
Б,, 62 - относительные диэлектрические
проницаемости БЮ и несоответственно;
Ил и Л/2 - концентрации носителей тока в Ч,94Ч,об и Еи°^т соответственно;
V- контактная разность потенциалов.
Ширина обедненной области со стороны БЮсоставляет 71,5 нм,а со стороны ЕиО153,8 нм. Вся переходная область (о5 при выбранной степени легирования определяется соотношением:
¿ = (х0-х1)+(х2-х0)=
2В1Е 2Ув{Щ+ЩУ
с!— приближенно равно 225,25 нм. Таким образом, [п-р) - гетеропереход 5га94Са06 - ЕиО^
является резким анизотипным.
Потенциальный барьер, возникающий на гетерогранице, будет препятствовать эмиссии электронов из Бг094О006. Этот барьер образуется, в основном, за счет электрических и магнитных сил изображения. Действие этих сил будет проявляться также и в том, что свободные электроны будут прижаты к гетерогранице, так как Диэлектрический зазор -{БгО\ на гетерогранице не будет влиять на изменение высоты потенциального барьера из-за своей прозрачности. Со стороны ЕиОл 06 для дырок будет образовываться яма, а со стороны 5г094С006 потенциальный барьер для электронов.
Понижение барьера происходит по мере увеличения приложенного внешнего напряжения или при освещении светом. Перенос заряда через гетерограницу осуществляется основными носителями. Плотность будет определяться числом электронов, движущихся с энергией достаточной для преодоления барьера. Приложение прямого внешнего напряжения к гетеропереходу должно вызывать понижение потенциального барьера, а ферромагнитные свойства ЕиО при этом будут усиливаться за счет активной рекомбинации, скорость которой будет возрастать. Это способствует значительному увеличению скорости тока через гетеропереход, проявляется про-
пускная способность подаваемого сигнала. При обратном напряжении область гетероперехода будет представлять собой запирающий слой с высоким омическим сопротивлением. При температуре, значительно превышающей точку Кюри, электропроводность через гетерограницу может удовлетворительно описываться механизмами токопереноса, известными для классических полупроводников.
Выводы. Проведение такого элективного курса обогащает слушателей информационными знаниями в области работ над созданием новых полупроводниковых тонкопленочных структур. Вовлекает их в работу по исследованию и моделированию физико-химических процессов и состояний, происходящих в веществах с различными структурами и взаимодействиями частиц. Исследовательский подход, доминирующий на протяжении всего элективного курса, способствует развитию мыслительной деятельности, формированию познавательных интересов, влияет на осознанный выбор будущей профессии.
Слушатели элективного курса приобретают навык систематической работы с научной и справочной литературой, с использованием известных экспериментальных и теоретических фактов, порой, основанных на интуи-циях и догадках, которые проверяются на опыте. Все это способствует развитию самостоятельной познавательной деятельности, искусству исследователя, экспериментатора.
Успешность проведения элективных курсов основывается на творческом использовании принципов дидактики, обоснованности научного содержания излагаемого материала и методов решения образовательных задач.
Литература:
1. Борисенко С.И. Физика полупроводниковых наноструктур: учебное пособие / С.И. Борисенко. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - 115 с.
2. Губанов В. А. Квантовая химия твердого тела / В. А. Губанов, Э. 3. Курмаев, А. И. Ивановский. - М.: Наука, 1984. - 304 с.
3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. КН.1.-М.: Мир 1984. -456 с.
4. Каллуэй Дж. теория энергетической зонной структуры. - М.: Мир 1969. -360 с.
5. Тарасова Т.А. Особенности магнитного полупроводника ЕиО / Т.А. Тарасова // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. -Научный журнал. - № 2 (47). - 2015. - С. 76-81.
6. Тарасова Т.А. Гетероструктуры на основе двух оксидов 5г094О006 и ЕиО,06./Т.А.Тарасова //Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии. X Юбилейная Международная научная конференция. - Ставрополь: Сев Кав ГГУ, 2010. - С. 180-182.
7. Тарасова Т.Д. Зависимость свойств гетероперехода на основе двух оксидов Бг1 хОх и Еи01+х от физических факторов/ Т.Д. Тарасова // Материалы XII Международной научно - практической конференции. Том 1, г. Москва, Науч. инф. издат. Центр "Институт стратегических исследований". - М.: Изд-во "Спецкнига", 2013. - С 44-48.
8. Третьяков Ю. Д., Гудилин Е.А. Нанонаука, ноно-технология, наноиндустрия -тенденции тразви-тия / Ю. Д Третьяков, Е.А Гудилин // Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии. X Юбилейная Международная научная конференция. - Ставрополь : Сев Кав ГТУ, 2010. - С 15-20.
MODEL FOR THE FORMATION OF SUBJECT-PRACTICAL COMPETENCES IN THE CONDITIONS OF PRACTICAL
(PRODUCTION) EDUCA TION OF FUTURE TEA CHERS
Tarkhan Lenuza Zapaevna, DSc of Pedagogical sciences, Professor
Islyamova E/vina Asimovna, Postgraduate student
Department of Technology and Design of Clothes and Professional Pedagogy, Crimean Engineering and Pedagogical University named after Fevzi Yakubov, Simferopol, Republic of Crimean
According to the results of the analysis of the problem of the formation of subject-practical competencies in the conditions of practical (production) training of future teachers of vocational training, the article considers the developed model of their formation, the structure of which contains three interconnected blocks: target, meaningful and effective. The first block includes the goals and objectives of the presented model; the second block contains methodological approaches to the formation of subject-practical competencies, and their components, stages of production training, organizational and pedagogical conditions and components; the third block is effective and I determines the criteria and levels of formation of subject-practical competencies, and also reflects the result of their formation.
Keywords: model; subject-practical competencies; future teacher of vocational training; components of subject-practical competences; pedagogical conditions; components; criteria.
0Э
i-H
О cu
-0 Q-
LQ <
CO CO
МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ПРАКТИЧЕСКИХ КОМПЕТЕНЦИЙ В УСЛОВИЯХ ПРАКТИЧЕСКОГО (ПРОИЗВОДСТВЕННОГО) ОБУЧЕНИЯ БУДУЩИХ ПЕДАГОГОВ
По результатам проведенного анализа проблемы формирования предметно-практических компетенций в условиях практического (производственного) обучения будущих педагогов профессионального обучения в статье рассматривается разработанная модель их формирования, структура которой содержит три взаимосвязанных блока: целевой, содержательный и результативный. Первый блок включаете себя цели и задачи, представленной модели; второй блок содержит методологические подходы формирования предметно-практических компетенций и их составляющие, этапы производственного обучения, организационно-педагогические условия и компоненты; третий блок является результативным и определяет критерии и уровни сформированнос-ти предметно-практических компетенций, а также отражает результат их формирования.
Клю чевые слова: модель; предме тно-практические компе тенции; будущий педагог профессионального обучения; составляющие предметно-практических компетенций; педагогические условия; компоненты; критерии.
Основная проблема подготовки профессиональных кадров в настоящее время связана с возникновением противоречий между теоретическим и предметным характером обучения и практическим межпредметным характером реальной профессиональной деятельности. Поиск путей повышения качества готовности специалистов к практической профессиональной деятельности привел к созданию деятельностных технологий. Одним из подходов к решению данной проблемы явилась идея моделирования профессиональной деятельности в учебном процессе [12].
Вопрос формирования профессиональной компетентности у будущих педагогов профессионального обучения и разработкой
УДК 378.14 ВАК РФ 13.00.08
© Тархан Л.3., 2019 © Ислямова Э.А., 2019
=7^,
КД7 Г
S
337
ТАРХАНЛенуза Запаевна,
доктор педагогических наук, профессор
ИСЛЯМОВА Эльвина Асимовна, аспирантка
кафедра Технологии и дизайна одежды и профессиональной педагогики, Крымский инженерно-педагогический университет имени Февзи Якубова, Симферополь, Республика Крым
