Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 8

Согласно теоремам К. Гёделя во всякой формализо)ванной математической системе обнаруживаются утвер)ждения, истинность которых нельзя ни доказать, ниопровергнуть на основе тех аксиом, которые выбраны длялогически непротиворечивого построения данной теории.Остается путь использования иных, не связанных с осно)вополагающими аксиомами, истин. Это могут быть и ис)тины, полученные эмпирическим путем.Математика связана с познанием природы. Многиеее теории оказываются адекватными моделям, используемым при описании природных процессов. Например,движение небесных тел описывается теорией, в которойиспользуется геометрия конических сечений (окружно)сти, эллипса, параболы).

Именно эта математическаятеория оказалась адекватной тем физическим явлени)ям, которые описываются небесной механикой. Такихпримеров много. Вот почему математику можно отнестик фундаментальным наукам, которые существенно облег)чают познание окружающего нас мира. Она оказываетсякрайне абстрактным, но весьма полезным отражениемреальности. Часто математики «рисуют» правильный фор)мальный образ того, что еще никем не наблюдалось.

На)пример, один тип дифференциальных уравнений оказал)ся точным абстрактным портретом электромагнитныхволн, распространяющихся в свободном пространстве, чтообнаружилось лишь после открытия и эксперименталь)ных исследований этих волн. Возможность «забегания»математиков вперед в познании реальности связана, ве)роятно, с тем, что мозг человека есть часть этой реально)сти и функционирует по ее законам. Поэтому логическибезупречные абстрактные построения математиков не мо)гут полностью выходить за рамки реальности.46НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.

Введение в специальностьАналогичные рассуждения применимы и к информа#тике. Следует учитывать также, что любые теории, ис#пользуемые в информатике, в конечном итоге оперируютпонятием «информация», которое всегда отражает реаль#ность. Сверх того, информатика имеет инструментальнуюбазу, создаваемую и функционирующую на основе фун#даментальных законов природы. Например, технологияинтегральной микросхемы (ИМС) включает сотни тех#нологических стадий, опирающихся главным образомна законы физики и химии. Функционирование элемен#тов ИМС, а значит и центрального процессора ЭВМ, оп#ределяется законами квантовой физики, электродина#мики, статистической физики.

В природе информацион#ные процессы существовали всегда, а примерно 3,8 млрдлет назад, когда на Земле появилась жизнь, возникли истали совершенствоваться сложные информационныесистемы: генетическая, нервная, гормональная, функ#ционирующие на основе фундаментальных законов при#роды. Таким образом, информатика несомненно имеетобщую естественнонаучную основу с остальными дисци#плинами рассматриваемого блока (см.

рис. 1.1). Крометого, информатика, как и математика, делает процесспознания природы строгим и все более динамичным.Со своей стороны, природа «подсказывает» информати#ке (и особенно в ее наноэлектронном варианте) пути даль#нейшего развития.Итак, естественнонаучные основы и фундаментальнаяобщность дисциплин естественнонаучного блока очевидны.3.3.ОБЩЕПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕДИСЦИПЛИНЫОбщепрофессиональных дисциплин более двенадцати. Из них примерно девять полностью базируются наестественнонаучных дисциплинах; остальные — частично. Рассмотрим подробно только дисциплины феде#рального компонента учебного плана.

Будем обращатьвнимание лишь на явные связи с фундаментальными дис#циплинами.Часть 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ47Дисциплина «Квантовая механика» является разделом физики, в котором выделены вопросы, имеющие осо'бую значимость для специалистов по наноэлектронике.Дисциплина «Физика конденсированных сред» охватывает специфическую область применения квантовоймеханики к твердому телу и описывает свойства твердых тел, используемых в наноэлектронике. В физикеконденсированных сред широко представлены также ме'тоды термодинамики, статистической физики и электро'динамики.Дисциплина «Квантовая и оптическая электроника»построена на законах квантовой физики и широко ис'пользует многие разделы физики конденсированных сред.Дисциплина «Физикохимия наноструктурированных материалов» непосредственно опирается на химию,физическую химию, физику конденсированных сред, термодинамику поверхности, физику и химию фазовых переходов.

Эта дисциплина является непосредственнымприложением уже рассмотренных дисциплин к описаниюнаноструктур, процессов их самоорганизации и другимприкладным вопросам нанотехнологии.Дисциплина «Электротехника и электроника» всецело базируется на разделе физики «Классическая макроскопическая электродинамика». В курсе физики изу'чают основы и физическое содержание электродинамики,ее связь с другими разделами физики и с техникой, а вэлектротехнике электродинамика используется для раз'работки методов расчета электрических и магнитных по'лей в различных электротехнических устройствах. Приразработке частных методов расчета в электротехникеприменяют основные законы макроскопической электро'динамики (выраженные уравнениями Максвелла) и ихследствия (теорема Гаусса, уравнение Пуассона, законэлектромагнитной индукции Фарадея, уравнения Кирх'гофа и т.

д.). Методы расчета усилителей и генераторовгармонических сигналов в значительной степени основа'ны на физической теории колебаний. Использование тогоили иного раздела фундаментальной науки при построениисоответствующей общепрофессиональной дисциплины —48НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.

Введение в специальностьвесьма распространенный подход в техническом образо$вании. Такой подход непосредственным образом отража$ет фундаментальные основы общепрофессиональных дис$циплин.Дисциплина «Экспериментальные методы исследования и метрология» построена на основе использованияфизических принципов измерений геометрических, электрических, оптических, структурных и других характеристик макро, микро и нанообъектов. Методы чис$ленной обработки результатов исследований основаны наматематической теории случайных процессов.Отметим также, что метрология зародилась и перво$начально развивалась в недрах физики, а затем распро$странилась на другие науки и технику.Дисциплина «Основы технологии материалов» представляет собой прикладную версию той части физикитвердого тела, которая теоретически «обслуживает»нанотехнологию.

Связи «состав–структура–свойства»,которые вскрываются в физике твердого тела, позволяютразрабатывать оптимальные технологические процессы,используемые для получения материалов с заданнымиэксплуатационными характеристиками. Связь рассматри$ваемой дисциплины с естественными науками заключа$ется в том, что сам технологический процесс всегда пред$ставляет собой сочетание химических и (или) физическихпроцессов.1Дисциплина «Безопасность жизнедеятельности»(БЖД) рассматривает различные процессы в системе«человек–среда обитания». Это одна из сложнейших сис$тем, самоорганизующихся и саморазвивающихся по за$конам природы.Законы одинаковы во всех частях Вселенной и на всехэтапах ее долгой эволюции.

Указанный факт установленфундаментальными науками и лег в основу одной из кон$1 Технологический процесс — это совокупность механических, фи$зических и химических процессов — операций, изменяющих форму,размеры деталей, их свойства, внешний вид. (Политехнический сло$варь, 3$е изд./Под ред. А.

Ю. Ишлинского. М.: Советская энциклопе$дия, 1989. 656 с.).Часть 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ49цепций1 современного естествознания — концепции оединстве законов, управляющих всеми процессами в этоммире. Самоорганизация и саморазвитие любых сложныхсистем также подчиняется единым законам. Самоорга6низация сложных систем обеспечивается проявлением всистеме положительных и отрицательных обратных свя6зей. Первые выводят систему из состояния равновесия, авторые — приближают к нему.

Эти же взаимосвязи ле6жат в основе многих естественных процессов в системе«человек–среда обитания». Следовательно, если не учи6тывать правовые, нормативно6технические и организа6ционные вопросы, то в остальном и дисциплина БЖДоснована на фундаментальных науках.Дисциплина «Инженерная и компьютерная графика»также базируется на дисциплинах общематематического и естественнонаучного блока — на математике и информатике.Две оставшиеся дисциплины общепрофессиональногоблока «Организация и управление производством, иннова6тика» и «Стандартизация и сертификация» с дисциплина6ми естественнонаучного блока связаны лишь опосредован6но, так как базируются главным образом на организацион6ных, административных и юридических основаниях.3.4.СПЕЦИАЛЬНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫСпециальных дисциплин по специальности «Нанотех6нология в электронике» семь. Они четко разделяются натри группы.К первой группе относятся пять дисциплин, в основекоторых лежит физика: «Физика полупроводников»,«Физика наноразмерных систем», «Материалы и методы нанотехнологии», «Элементы и приборы наноэлектроники», «Методы диагностики и анализа микро и наносистем».