Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie - Centralny System UwierzytelnianiaNie jesteś zalogowany | zaloguj się
katalog przedmiotów - pomoc

Fizyka ciała stałego

Informacje ogólne

Kod przedmiotu: MFI-F-FCS-LS Kod Erasmus / ISCED: (brak danych) / (0533) Fizyka
Nazwa przedmiotu: Fizyka ciała stałego
Jednostka: Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki
Grupy:
Punkty ECTS i inne: 0 LUB 4.00 LUB 3.00 (w zależności od programu)
zobacz reguły punktacji
Język prowadzenia: polski
Wymagania wstępne:

podstawy mechaniki kwantowej.

podstawy fizyki atomowej.

Godzinowe ekwiwalenty punktów ECTS:

Godziny kontaktowe (z udziałem nauczyciela akademickiego)

Wykład 30

Konsultacje 2

Łączna liczba godzin z udziałem nauczyciela akademickiego 32

Liczba punktów ECTS z udziałem nauczyciela akademickiego 2

Godziny nie kontaktowe (praca własna studenta)

Przygotowanie się do egzaminu 120

Łączna liczba godzin nie kontaktowych: 120

Liczba punktów ECTS za godziny nie kontaktowe: 2

Sumaryczna liczba punktów ECTS dla modułu 4

Sposób weryfikacji efektów kształcenia:

Sposób weryfikacji efektów kształcenia na studiach pierwszego stopnia zatwierdzonych na podstawie Uchwały Nr XXII –39.8/12 Senatu Uniwersytetu Marii Curie – Skłodowskiej w Lublinie z dnia 25 kwietnia 2012 r. dla cyklu kształcenia rozpoczętego w 2015/2016, 2016/2017

W01,W02 – egzamin,

U01,U12 – egzamin


Sposób weryfikacji efektów kształcenia na studiach pierwszego stopnia zatwierdzonych na podstawie Uchwały Nr XXIV – 7.7/17 Senatu Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie z dnia 31 maja 2017 r. dla cyklu kształcenia rozpoczętego w 2017/2018, 2018/2019

W01,W02 – egzamin,

U01,U12 – egzamin


Pełny opis:

Spis zagadnień do wykładu ‘fizyka ciała stałego’

Zagadnienia pominięte/skrócone oznaczono *

Wykład I - wiązania atomowe

Energia spójności

Typowy zakres energii spójności przypadającej na jeden atom (eV).

Energia spójności a energia kinetyczna i potencjalna atomu – zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Wiązania van der Waalsa

Chwilowy moment dipolowy atomu.

Energia sprzężenia pomiędzy dwoma dipolami.

Zależność energii przyciągania i odpychania w funkcji odległości,

wzory i wykres.

Charakterystyka wiązania van der Waalsa i jego wpływ na własności

fizyczne kryształów.

Przykłady kryształów z wiązaniem van der Waalsa.

Wiązania kowalencyjne

Przykład molekuły wodoru.

Przykład diamentu i krzemu.

Hybrydyzacja.

Diament a grafit.

Polimorfizm.

Charakterystyka wiązania kowalencyjnego i jego wpływ na własności

fizyczne kryształów.

Wiązania jonowe

Przykład NaCl.

Oddziaływanie pomiędzy atomami Na i Cl.

Promienie atomowe i jonowe Na i Cl.

Całkowita energia oddziaływania w NaCl.

Stała Madelunga – wyprowadzenie wzoru.

Charakterystyka wiązania jonowego i jego wpływ na własności

fizyczne kryształów.

*Wiązania wodorowe

*Przykład H2O i inne przykłady kryształów z wiązaniami wodorowymi.

Wiązania metaliczne

*Przykład Li.

Charakterystyka wiązania metalicznego i jego wpływ na własności fizyczne kryształów.

Wykład II - sieci na płaszczyźnie i w przestrzeni

Idealny monokryształ

Baza, sieć.

Komórka prosta (prymitywna).

Operacja translacji.

Podstawowe wektory translacji, wektor translacji.

Sieć przestrzenna (sieć Bravais).

Własności komórki prostej.

Komórka prosta a komórka elementarna.

Przykłady komórek prostych najczęściej spotykanych sieci

Sieć powierzchniowo centrowana (fcc), rysunki i przykłady.

Sieć objętościowo centrowana (bcc), rysunki i przykłady.

Sieć typu diamentu, rysunki i przykłady.

Sieć typu NaCl, rysunki i przykłady.

Objętości komórek.

Liczba węzłów przypadająca na komórkę elementarną.

Liczba koordynacyjna.

Odległość do najbliższych sąsiadów.

Liczba drugich sąsiadów.

Odległość do drugich sąsiadów.

2 i 3- wymiarowe sieci Bravais

5 sieci Bravais w dwóch wymiarach:

Sieć 2D ukośna, prostokątna, prostokątna centrowana, kwadratowa, heksagonalna.

*7 układów krystalograficznych (14 sieci Bravais) w 3 wymiarach.

*Układy regularny, tetragonalny, rombowy, jednoskośny, trójskośny, trygonalny, heksagonalny.

Wskaźniki Millera

Definicja wskaźników Millera.

Rysunki niskowskaźnikowych płaszczyzn.

Oznaczenia płaszczyzn krystalograficznych i ich rodzin.

Oznaczenia kierunków krystalograficznych i ich rodzin.

Wskaźniki Millera układu heksagonalnego.

Oznaczenie położenia atomów w komórce prostej.

Struktury gęsto upakowane i ułożenie warstw atomów, ABAB... i ABCABC..

Wykład III – sieć odwrotna i dyfrakcja

Sieć odwrotna

Definicja sieci odwrotnej z wykorzystaniem zależności pomiędzy wektorem falowym fali płaskiej a okresowością sieci.

Formalna definicja wektorów sieci odwrotnej.

Własności wektorów sieci odwrotnej.

Przykłady zależności pomiędzy podstawowymi wektorami sieci rzeczywistej a wektorami sieci odwrotnej na płaszczyźnie.

Dyfrakcja fal płaskich na krysztale

Wykorzystanie fotonów, elektronów i neutronów w badaniach dyfrakcyjnych.

Opis dyfrakcji Bragga – odbicie.

Opis dyfrakcji Lauego- rozpraszanie.

Warunek Lauego.

Konstrukcja Ewalda.

Lanego metoda pomiaru struktury kryształu – opis doświadczenia.

Metoda obracanego kryształu i interpretacja z wykorzystaniem konstrukcji Ewalda.

Metoda proszkowa (Debye'a-Scherrera) i interpretacja z wykorzystaniem konstrukcji Ewalda.

Metoda q - 2q.

Geometryczny czynnik strukturalny – efekty interferencyjne wewnątrz komórki.

Przykład obliczeń czynnika strukturalnego sieci bcc.

Atomowy czynnik rozproszenia – efekty interferencyjne wewnątrz atomu.

*Dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów LEED

*Zasięg elektronów w krysztale.

Sieć odwrotna 2-wymiarowego kryształu.

*Konstrukcja Ewalda dyfrakcji LEED.

*Układ eksperymentalny do pomiaru dyfrakcji LEED.

*Dyfrakcja wysokoenergetycznych elektronów RHEED

*Geometria eksperymentu.

*Aparatura RHEED.

*Konstrukcja Ewalda dyfrakcji RHHED.

*Obraz dyfrakcyjny.

Wykład IV - kwantowa teoria elektronów swobodnych

Elektron w pudle potencjału

Opis elektronu poprzez wektor w przestrzeniach prędkości, pędu i wektora falowego.

Dozwolone wartości wektora falowego elektronu z punktu widzenia teorii klasycznej i kwantowej.

Równanie Schroedingera elektronu w krysztale z jednorodnym potencjałem.

Periodyczne warunki brzegowe.

Dozwolone wartości wektora falowego.

Objętość stanu elektronowego w przestrzeni k.

Gęstość stanów elektronowych na jednostkę objętości, na jednostkę wektora falowego.

Gęstość stanów elektronowych na jednostkę objętości, na jednostkę energii.

Rola spinu.

Rozkład Fermiego-Diraca

Koncentracja elektronów w modelu elektronów swobodnych.

Rozkład Fermiego-Diraca.

Energia Fermiego.

Powierzchnia Fermiego.

Koncentracja elektronów w sodzie, w temperaturze 0 K i w wyższych temperaturach.

Typowa wartość energii Fermiego.

Zależność energii Fermiego od temperatury.

Ciepło właściwe gazu elektronowego

Energia gazu elektronowego w temperaturze 0 K.

Ilość energii przypadającej na jeden elektron w temp. 0 K.

Energia gazu elektronowego w temperaturach różnych od 0 K.

Pojęcie całki Fermiego.

Obliczenie ciepła właściwego gazu elektronowego.

Porównanie z klasycznym ciepłem gazu elektronowego.

Degeneracja ciepła właściwego.

Elektrony w metalu jako gaz zdegenerowany.

Liniowa zależność ciepła właściwego elektronów od temperatury.

Paramagnetyzm Pauliego

Moment magnetyczny elektronu.

Energia elektronów w polu magnetycznym ze spinem równoległym i antyrównoległym.

Paramagnetyzm gazu elektronowego w metalu.

Obliczenie podatności magnetycznej w temperaturze 0 K.

Uproszczenia w opisie zachowania elektronów.

*Wykład V - teorie przewodnictwa elektrycznego w metalu

Klasyczna teoria elektronu swobodnego

Funkcja rozkładu prędkości elektronów.

Najbardziej prawdopodobna prędkość.

Średnia energia kinetyczna przypadająca na elektron.

Średnia droga swobodna.

Model Drudego

Założenia modelu.

Liczba elektronów, które się nie zderzyły po czasie t.

Prędkość dryfu w polu elektrycznym.

Całkowity transport elektronów wzdłuż pola elektrycznego.

Średni czas życia.

Gęstość prądu.

Przewodnictwo elektryczne.

Ruchliwość dryfu elektronów.

Model Lorentza

Funkcja rozkładu f w równowadze termodynamicznej.

Modyfikacja funkcji rozkładu pod wpływem pola elektrycznego i zderzeń.

Czas relaksacji.

Wyrażenie na przewodnictwo elektryczne.

Wykład VI - podstawy struktury pasmowej

Parametry fizyczne kryształów a struktura elektronowa

Przewodnictwo elektryczne różnych kryształów - zakres zmian i związek ze strukturą elektronową.

Transmisja i absorpcja światła i jej związek ze strukturą elektronową

Stany elektronowe w krysztale

Potencjał krystaliczny.

Potencjał efektywny.

Równanie Schroedingera dla opisu elektronu w krysztale.

Funkcje Blocha i jej interpretacja.

Warunek brzegowy Borna - von Karmana.

Przedział zmienności funkcji falowej.

Strefa zredukowana i rozwinięta.

Pojecie stref Brillouina.

Stany elektronowe na granicy strefy Brillouina.

Gęstości elektronów w stanach na granicy strefy Brillouina.

Interpretacja pochodzenia przerwy energetycznej.

Odbicie Bragga na granicy strefy.

Model prawie-swobodnego elektronu.

Pasma elektronowe

*Model Kroniga - Penny'ego (KP).

*Graficzne rozwiązanie równania w modelu KP.

Stany zlokalizowane w ciele stałym.

Przekrycie pasm.

Istotne różnice w strukturze pasmowej metali, półprzewodników i izolatorów.

Wypełnienie pasm elektronowych.

Charakterystyczne własności struktury elektronowej Si, Ge, Cu, Ag. Au.

Wykład VII - drgania sieci krystalicznej i fonony

Ciepło właściwe według teorii klasycznej

Całkowita energia drgań klasycznych oscylatorów.

Dane eksperymentalne ciepła właściwego ciał stałych.

Długości fal dźwięku w krysztale.

Liniowy monoatomowy łańcuch

Równanie ruchu atomów w łańcuchu.

Drgania podłużne i poprzeczne.

Częstość drgań łańcucha w funkcji wektora falowego.

Strefy Brillouina.

Prędkość fazowa i grupowa fali w krysztale i ich wartości w środku strefy Brillouina i na jej granicach.

Odbicie Bragga.

Liniowy dwuatomowy łańcuch

Równanie ruchu atomów w łańcuchu.

Zależność dyspersyjna drgań.

Strefy Brillouina.

Drgania optyczne i drgania akustyczne - mody drgań.

Fonony i ciepło właściwe

Prawo Dulonga-Petita.

Model Einsteina

Założenia modelu.

Energia całkowita drgań w modelu Einsteina.

Ciepło właściwe w modelu Einsteina.

Zgodność z danymi eksperymentalnymi.

Model Debye

Założenia modelu Debye.

Energia całkowita drgań w modelu Debye.

Rola funkcji gęstości stanów drgań w modelu Debye.

Częstość Debye.

Temperatura Debye.

Ciepło właściwe w modelu Debye.

Zależność ciepła właściwego od temperatury - część elektronowa i sieciowa.

Wykład VIII - półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Półprzewodnik samoistny

Gęstość stanów w pobliżu dna pasma przewodnictwa w modelowym półprzewodniku.

Masa efektywna elektronów i dziur a krzywizna pasm.

Koncentracja dziur w paśmie walencyjnym.

Koncentracja elektronów w półprzewodniku zdegenerowanym i niezdegenerowanym i kryterium degeneracji półprzewodnika.

Efektywna gęstość stanów w paśmie przewodnictwa i w paśmie walencyjnym.

Położenie poziomu Fermiego w półprzewodniku samoistnym.

Koncentracja par elektron-dziura.

Zależność koncentracji par elektron-dziura od temperatury, wykres ln(n) w funkcji 1/(kT).

Zależność efektywnej gęstości stanów od temperatury.

Półprzewodnik domieszkowy

Lokalizacja stanów elektronowych domieszki donorowej i akceptorowej.

Energia jonizacji domieszki i wpływ stałej dielektrycznej ośrodka.

Promień orbity elektronu związanego z jonem domieszki donorowej.

Promień orbity dziury związanej z jonem domieszki akceptorowej

Energie jonizacji typowych domieszek donorowych i akceptorowych w Si i w Ge.

Prawo działania mas.

Kompensacja koncentracji nośników.

Termiczna jonizacja domieszek

Koncentracja donorów zjonizowanych i niezjonizowanych.

Wpływ koncentracji elektronów zjonizowanych donorów na koncentrację par elektron-dziura.

Stopień obsadzenia stanów donorowych.

Zależność koncentracji elektronów od koncentracji donorów.

Zależność ln(n) od 1/(kT) w niskich temperaturach.

Jonizacja akceptorów.

Wykład IX - niektóre zjawiska w metalach i półprzewodnikach

Absorpcja światła.

Przejścia proste.

Szkic zależności E(k) w płp. z prostą przerwą energetyczną.

Szkic zależności E(k) w płp. ze skośną przerwą energetyczną.

Fotoemisja z ciała stałego.

Szkic uproszczonej struktury pasmowej układu badany metal - analizator.

Zachowanie energii w procesie fotoemisji.

Rola struktury pasmowej w procesie fotoemisji - szkic.

*Zjawisko Halla.

*Rysunek półprzewodnika z zaznaczonymi wielkościami koniecznymi do obliczenia współczynnika Halla.

*Obliczenie współczynnika Halla i jego związek z parametrami półprzewodnika.

Praca wyjścia.

*Rozkład ładunku we wnętrzu i na powierzchni metalu.

Potencjał próżni.

*Praca wyjścia z różnych ścian kryształu.

Kontaktowa różnica potencjałów.

*Termoemisja.

*Rozrzedzony gaz elektronowy poza metalem i jego funkcja rozkładu.

*Gęstość prądu elektronów opuszczających metal.

*Równanie Richardsona-Duschmana.

*Wyznaczanie pracy wyjścia z pomiarów prądu termoemisji.

Wykład X - złącza półprzewodnik-metal i półprzewodnik-półprzewodnik

Przewodzenie prądu przez złącza metal-płp.

Praca wyjścia i powinowactwo elektronowe w płp.

Schematy pasmowe metalu i półprzewodnika przed złączeniem i po złączeniu.

Schematy pasmowe metal-płp. w kombinacjach z płp. typu p i typu n, kiedy praca wyjścia z metalu jest większa od pracy wyjścia z płp. i kiedy jest mniejsza.

Potencjał dyfuzyjny w złączach prostujących z płp. typu n i p.

Schematy pasmowe spolaryzowanych złącz prostujących i omowych.

Równanie charakterystyki prądowo-napięciowej prostującego złącza metal-płp. i jej wykres.

Pochodzenie prądu zerowego.

Złącze prostujące płp-płp.

Schemat położenia krawędzi pasm w zlączu.

Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza.

Tranzystor złączowy n-p-n.

Rysunek położenia krawędzi pasm tranzystora.

Obwód elektryczny tranzystora podczas pracy.

Rola bazy tranzystora.

Wzmocnienie mocy w tranzystorze.

*Wykład XI - nadprzewodnictwo

Własności nadprzewodników BCS.

Odkrycie nadprzewodnictwa.

Najwyższe temperatury krytyczne pierwiastków.

Krytyczne pole magnetyczne - wykres zmian od temperatury Pb.

Doświadczenie Meissnera - schemat i wnioski.

Podstawy teorii BCS.

Oddziaływanie elektron-fonon i elektron-elektron z udziałem sieci.

Rola rozproszeń elektronów.

Pary Coopera.

Funkcja falowa par Coopera

Stan skondensowany i jego energia.

Złącza tunelowe nadprzewodnik - izolator - nadprzewodnik.

Charakterystyki prądowo-napięciowe złącz tunelowych.

Typowe wartości nadprzewodnikowej przerwy energetycznej.

Zjawisko Josephsona.

Literatura:

Literatura:

1 C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa 1999.

2 N. W. Ashcroft, N. D. Mermin, Fizyka ciała stałego, PWN, Warszawa 1986.

3 H. Ibach, H. Lueth, Fizyka ciała stałego, PWN, Warszawa 1996.

4 C. A. Wert. R. M. Thomson, Fizyka Ciała Stałego, PWN, Warszawa 1974.

Efekty uczenia się:

Na podstawie Uchwały Nr XXII –39.8/12 Senatu Uniwersytetu Marii Curie – Skłodowskiej w Lublinie z dnia 25 kwietnia 2012 r. dla cyklu kształcenia rozpoczętego w 2015/2016, 2016/2017.

WIEDZA

WO1 Zna podstawowe prawa fizyki z zakresu mechaniki, elektryczności i magnetyzmu, termodynamiki, optyki

W02 Zna podstawy rachunku różniczkowego i całkowego jednej i wielu zmiennych, analizy wektorowej, algebry, geometrii.

UMIEJĘTNOŚCI

UO1 Potrafi zapisać w formalizmie matematycznym prawa fizyczne oraz je zinterpretować

U12 Potrafi określi związki przyczynowo - skutkowe

Na podstawie Uchwały Nr XXIV – 7.7/17 Senatu Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie z dnia 31 maja 2017 r. dla cyklu kształcenia rozpoczętego w 2017/2018, 2018/2019.

WIEDZA

WO1 Zna podstawowe prawa fizyki z zakresu mechaniki, elektryczności i magnetyzmu, termodynamiki, optyki

W02 Zna podstawy rachunku różniczkowego i całkowego jednej i wielu zmiennych, analizy wektorowej, algebry, geometrii.

UMIEJĘTNOŚCI

UO1 Potrafi zapisać w formalizmie matematycznym prawa fizyczne oraz je zinterpretować

U12 Potrafi określi związki przyczynowo - skutkowe

Zajęcia w cyklu "Semestr zimowy 2019/2020" (zakończony)

Okres: 2019-10-01 - 2020-02-01
Wybrany podział planu:


powiększ
zobacz plan zajęć
Typ zajęć: Konwersatorium, 15 godzin więcej informacji
Wykład, 30 godzin więcej informacji
Koordynatorzy: Tomasz Kwapiński
Prowadzący grup: Tomasz Kwapiński, Agnieszka Stępniak-Dybala
Lista studentów: (nie masz dostępu)
Zaliczenie: Przedmiot - Zaliczenie na ocenę
Konwersatorium - Zaliczenie na ocenę
Wykład - Zaliczenie na ocenę
Opisy przedmiotów w USOS i USOSweb są chronione prawem autorskim.
Właścicielem praw autorskich jest Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie.