Физика твердого тела

Аннотация рабочей программы дисциплины
Б1.В.ДВ.1.1 Физика твердого тела
Направление подготовки - 03.06.01 Физика и астрономия,
Направленность Физика конденсированного состояния
1.
Цели и задачи дисциплины
Получение базовых знаний, необходимых научно-педагогическому работнику для
проведения современных исследований и преподавательской деятельности в области
физики конденсированного состояния вещества.
Создание обучающимся условий для приобретения необходимого при
осуществлении профессиональной деятельности уровня знаний, умений, навыков, опыта
исследований и преподавания и для подготовки к сдаче кандидатского экзамена по физике
конденсированного состояния, для подготовки выпускной квалификационной работы, а
также подготовки к защите диссертационной работы на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук.
2. Место дисциплины в учебном плане и общая трудоемкость
Дисциплина «Физика твердого тела» является профильной дисциплиной
вариативной части Блока 1 направления подготовки «Физика и астрономия». Для
освоения этой дисциплины обучаемый должен обладать базовой физико-математической
подготовкой и иметь навыки проведения экспериментальных исследований в области
физики конденсированного состояния вещества.
Дисциплина обеспечивает подготовку аспиранта к выполнению Блока 3 Учебного
плана «Научно-исследовательская работа». Освоение этой дисциплины позволит
аспиранту использовать современные эффективные методы исследования в области
физики конденсированного состояния вещества при подготовке его диссертационного
исследования и выпускной квалификационной работы.
Трудоемкость 3 зачетных единицы.
3. Формируемые компетенции
УК-1, УК-2, УК-3, УК-4, УК-5, ОПК-1, ОПК-2, ПК-1, ПК-3, ПК-5
4. Знания, умения и навыки, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Физика твердого тела» учащийся должен:
- знать основы высшей математики, законы естественных наук, применяемые в
физике конденсированного состояния, физические методы исследования и описания
конденсированного состояния вещества, преимущества и недостатки методов исследования
физических свойств твердых тел, требования к параметрам твердотельных веществ и
материалов при их практическом применении, информационные технологии, применяемые
при моделировании физических свойств твердотельных материалов, базы данных для
твердотельных материалов;
- уметь использовать аппарат высшей математики при описании фундаментальных
свойств конденсированных веществ, применять законы естественных наук в теоретических и
экспериментальных исследованиях конденсированных веществ, осуществлять поиск
твердотельных материалов с оптимальными для практического использования параметрами,
готовить сообщения на научно-практической конференции с широким спектром тематики,
работать с информацией в области физики конденсированного состояния из различных
источников, с отечественной и зарубежной периодической литературой, монографиями и
учебниками, электронными ресурсами Интернет;
- владеть навыками применения базовых знаний в области математики и
естественных наук в определенной области физики конденсированного состояния,
теоретическими и экспериментальными методами определения физических характеристик
твердотельных веществ и материалов, навыками обсуждения проблемных работ из
периодической научной печати, методами сбора информации из различных источников для
подготовки к семинару, докладу на конференции, методами обработки полученных данных,
визуализации результатов работы с применением современного программного обеспечения
5. Содержание дисциплины
№
1.
2.
3.
4.
5.
Наименование
раздела
дисциплины
Вводное занятие
Содержание тем раздела дисциплины
Предмет физики твердого тела. Определение твердого тела.
Роль твердого состояния вещества в природе и в техническом
прогрессе. Элементы, соединения, вещества, материалы.
Диаграмма состояния однокомпонентной системы.
Симметрия и
Структурные характеристики вещества в конденсированном
структура твердых
состоянии. Кристаллы, полимеры, аморфные среды,
тел
жидкости, жидкие кристаллы. Кристаллическая система
координат. Вектор трансляции. Элементарная трансляция.
Кристаллическая
решётка.
Элементарная
ячейка.
Примитивная ячейка. Базис. Кристаллическая структура.
Точечные элементы (операции) симметрии. Формула
симметрии. Порядок осей симметрии для идеальных
кристаллических многогранников. Обозначение узлов,
направлений и плоскостей. Параметры Вейсса и индексы
Миллера.
Особое
(единичное)
направление.
Кристаллографические категории и сингонии. 14 решёток
Бравэ. Точечная группа симметрии. 32 класса симметрии.
Дифракционные
Обратное пространство. Обратная решётка. Свойства
методы
базисных векторов обратной решётки. Дифракция и
исследования
интерференция волн в кристаллах. Условия дифракции
структуры твердых Вульфа-Брэгга. Условие дифракции для обратной решётки.
тел
Импульс отдачи кристалла при рассеянии. Построение
Эвальда. Плоскости перпендикулярные векторам обратной
решетки и делящие их пополам. Зоны Бриллюэна.
Приведение зон.
Когезионная энергия Типы химических связей в кристаллах. Потенциал
веществ с
ионизации. Энергия электронного сродства. Молекулярная
различным типом
связь. Потенциал Леннарда–Джонса. Решёточные суммы.
химической связи
Равновесное состояние. Ионная связь. Энергия Маделунга.
Постоянная Маделунга. Метод Эвьена. Ковалентная связь.
Направленность и насыщенность связей. Правила Юм –
Розери.  - и  – связи. Гибридизация состояний.
Металлическая связь.
Фононы и колебания Кристаллы с одноатомным базисом. Уравнения движения.
решетки
Дисперсионное соотношение. Фазовая и групповая скорости
Длинноволновое приближение. Общий случай. Продольные и
поперечные акустические колебания.
Кристаллы с
двухатомным базисом. Уравнения движения. Дисперсионное
соотношение. Характер относительного движения частиц.
Оптические и акустические ветви.
6.
7.
Тепловые свойства
диэлектрических
твердых тел
Свободный
электронный газ
8.
Энергетические
зоны
9.
Диэлектрики
10. Полупроводниковые
кристаллы
11. Магнитные свойства
твердых тел
12. Сверхпроводимость
13. Физика
наноструктур
Классическая и квантовая теплоемкости твердого тела.
Теории Эйнштейна и Дебая. Тепловое расширение.
Теплопроводность.
Спектр квантовых состояний свободных электронов в
одномерном
проводнике.
Заселение
состояний.
Распределение
Ферми-Дирака.
Вклад
теплоемкости
электронного газа в теплоемкость твердого тела.
Электропроводность и закон Ома. Теплопроводность
металлов. Диэлектрическая проницаемость электронного
газа. Плазменная частота. Поглощение и отражение
электромагнитных волн в плазме твёрдого тела (поперечные
оптические моды). Дисперсионное соотношение для
поперечных волн. Продольные плазменные колебания в
металлической пленке. Плазмоны. Возбуждение плазмонов
при отражении электронов от поверхности металла.
Учет
периодичности
решеточного
потенциала.
Энергетические зоны в кристаллах. Генетическая связь
энергетических
зон
с
атомными
состояниями
кристаллообразующих частиц. Классификация твёрдых тел
на основе зонной схемы. Электроны и дырки. Эффективная
масса. Проводимость. Другие носители заряда. Диффузия и
дрейф носителей. Подвижность носителей. Экситоны.
Электрические и оптические явления в неметаллических
кристаллах. Люминесценция. Вынужденное излучение.
Твердотельные лазеры. Дефекты в кристаллах. Радиационнофизические процессы в твердых телах. Физика центров
окраски в кристаллах.
Собственные и примесные полупроводники. Закон
действующих масс. Уровень Ферми в полупроводниках.
Вырожденные полупроводники. Р-n-переход, вольт-амперная
характеристика. Полупроводниковый выпрямительный диод.
Фотогенерация
и
рекомбинация
носителей
в
полупроводниках. Прямые и непрямые переходы. Тепловая
ионизация примесных атомов и дефектов. Оптическая
накачка полупроводников. Квазиравновесие в зонах.
Квазиуровни
Ферми.
Спонтанная
и
вынужденная
рекомбинация. Условие инверсии в полупроводниках. Лазер
на p-n – переходе. Светодиод.
Диаи
парамагнетизм.
Ферромагнетизм
и
антиферромагнетизм. Электронный и ядерный магнитный
резонанс.
Низкотемпературные сверхпроводники. Сверхпроводники I и
II рода. Эффект Мейснера. Теории Гинзбурга, Ландау,
Бардина, Купера, Шриффера. Туннельный эффект. Эффекты
Джозефсона. Высокотемпературные сверхпроводники.
Определение наноструктур, особенности их физических
характеристик. Размерное квантование, электронные и
колебательные спектры наноструктур. Металлические
кластеры. Фуллерены и нанотрубки. Графен.
14. Полупроводниковые
низкоразмерные
структуры
Молекулярная эпитаксия. Гетеропереходы и квантовые ямы.
Сверхрешетки,
квантовые
нити,
квантовые
точки.
Энергетические диаграммы, зонные спектры. Двумерный
электронный газ. Квантовый эффект Холла. Баллистический
перенос в квантовых нитях. Экситоны в низкоразмерных
структурах.
Применение
полупроводниковых
низкоразмерных структур.
6. Виды учебной работы
Лекции, консультации, практические занятия, самостоятельная работа, собеседование,
экспресс-опросы, научно-исследовательская работа.
7. Технические и программные средства обучения, Интернет- и Интранетресурсы
Методическим
оформлением
курса
является
использование
современных
образовательных технологий: информационных (лекции и презентации), проектных
(мультимедиа, видео, документальные фильмы), дистанционных. Внедрение глобальной
компьютерной сети в образовательный процесс позволяет обеспечить доступность
Интернет-ресурсов. Будут использованы программные средства и информационные
технологии, задействованные в изучаемых экспериментальных методах и приборах.
8. Формы текущего контроля успеваемости аспирантов
Собеседования., экспресс-опросы.
9. Виды и формы промежуточной аттестации
Дифференцированный зачет.
10. Разработчик аннотации
Профессор кафедры общей физики ИГУ
Е.Ф.Мартынович