03.06.01 РПУД Физика конденсированного состояния ФКС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ(РПУД)
Физика конденсированного состояния
Направление подготовки 03.06.01 – «Физика и астрономия»,
профиль «Физика конденсированного состояния»
Образовательная программа «Физика конденсированного состояния»
Форма подготовки (очная)
Школа естественных наук ДВФУ
Кафедра теоретической и экспериментальной физики
курс ___2____ семестр ___4_____
лекции _36__ час. /__1__ з.е.
практические занятия – не предусмотрены.
лабораторные работы – не предусмотрены.
всего часов аудиторной нагрузки__36___ (час.) /__1__ з.е.
самостоятельная работа ____72_____ (час.) /_2_ з.е.
контрольные работы
курсовая работа / курсовой проект не предусмотрены.
зачет ___________ семестр
экзамен____4______семестр
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями федерального государственного
образовательного стандарта высшего образования (уровень подготовки кадров высшей
квалификации), утвержденного приказом министерства образования и науки РФ от 30 июля 2014
№ 867
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры теоретической и экспериментальной физики,
протокол № 5 от «02» декабря 2014 г.
Заведующий (ая) кафедрой: Белоконь В.И.
Составитель (ли): д-р физ.- мат. наук, профессор, профессор каф. кафедры теоретической и
экспериментальной физики Л.Л. Афремов.
Оборотная сторона титульного листа РПУД
I. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 20__ г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________
(подпись)
(И.О. Фамилия)
II. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 20__ г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________
(подпись)
(И.О. Фамилия)
АННОТАЦИЯ
Дисциплина «Физика конденсированного состояния» предназначена
для аспирантов, обучающихся по образовательной программе «Физика
конденсированного состояния» и
входит в вариативную часть учебного
плана.
При разработке рабочей программы учебной дисциплины использованы
Федеральный
государственный
образовательный
стандарт
высшего
образования (уровень подготовки кадров высшей квалификации) по
направлению подготовки 03.06.01 – «Физика и астрономия», учебный план
подготовки аспирантов по профилю «Физика конденсированного состояния»
ЦельОсновная цель изучения дисциплины – подготовка к сдаче
кандидатского минимума по физике конденсированного состояния.
Задачи:
1.
Способствовать освоению аспирантами основных разделов курса
«Физика конденсированного состояния», необходимых для дальнейшей
успешной научной деятельности.
2.
Формирование
компетенций,
соответствующих
профилю
подготовки «Физика конденсированного состояния»
Интерактивные формы обучения составляют 12 часов и включают в
себя дискуссии по основным вопросам образовательной программы.
Компетенции выпускника, формируемые в результате изучения
дисциплины.
Универсальные компетенции:
- УК-1. Способность к критическому анализу и оценке современных научных
достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и
практических задач, в том числе в междисциплинарных областях,
Общепрофессиональные компетенции:
-
ОПК-1.
Способностью
самостоятельно
осуществлять
научно-
исследовательскую деятельность в области физики конденсированного
состояния
с
использованием
современных
методов
исследования
и
информационно-коммуникационных технологий
Профессиональные компетенции:
-
ПК-1.Владение
методами
математического
описания
физических
процессов, протекающих в конденсированных средах.
- ПК-2. Владение основными методами экспериментального исследования
структуры конденсированных сред.
- ПК-3. Владение основными методами исследования физических свойств и
функциональных характеристик конденсированных сред.
Требования к уровню усвоения содержания дисциплины.
Аспиранты должны приобрести следующие знания и умения:
-знать:
1. основные методы математического описания физических процессов,
протекающих в конденсированных средах
2. основные
методы
экспериментального
исследования
структуры
конденсированных сред
3. основные
типы
лабораторных
установок
(оборудования)
для
экспериментального исследования структуры конденсированных сред
4. основные
методы
исследования
физических
свойств
конденсированных сред
5. методы
исследования
функциональных
характеристик
конденсированных сред
6. современное
состояние
науки
в
выбранной
области
физики
конденсированных сред
7. современные
способы
использования
информационно-
коммуникационных технологий в области физики конденсированного
состояния
Уметь:
1. выбирать математические методы необходимые для описания
физических процессов, протекающих в конденсированных средах ,
2. критически
оценивать
математических
область
методов
для
применимости
описания
выбранных
протекающих
в
конденсированных средах физических процессов,
3. обосновано выбирать методы экспериментального исследования
структуры конденсированных сред,
4. использовать
современное
лабораторное
оборудование
для
проведения эксперимента,
5. выбирать и применять методы исследования физических свойств
конденсированных сред,
6. выбирать и применять методы исследования функциональных
характеристик конденсированных сред.
7. рационально организовывать научную работу в выбранной области
физики конденсированных сред
8. представлять результаты научной работы
9. Готовить заявки на получение научных грантов и заключения
контрактов по НИР в выбранной области физики конденсированных
сред
I.
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
КУРСА
МОДУЛЬ 1.
СИММЕТРИЯ
И
СИЛЫ
СВЯЗИ
В
КОНДЕНСИРОВАННЫХСРЕДАХ(12 часов / в том числе 4 часа в
интерактивной форме)
Раздел 1. Кристаллические и аморфные твердые тела (3/1 час.)
1. Трансляционная инвариантность. Базис и кристаллическая структура.
Элементарная ячейка. Ячейка Вигнера – Зейтца. Решетка Браве.
Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Обратная
решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна.
2. Элементы симметрии кристаллов: повороты, отражения, инверсия,
инверсионные повороты, трансляции. Операции (преобразования)
симметрии.
3. Элементы теории групп, группы симметрии. Возможные порядки
поворотных осей в кристалле. Пространственные и точечные группы
(кристаллические классы). Классификация решеток Браве.
Раздел 2. Электронная структура атомов. Типы сил межмолекулярной
связи в конденсированном состоянии (3/1 час.)
1. Химическая связь и валентность. Типы сил связи в конденсированном
состоянии: Ван дер Ваальсова связь, ионная связь, ковалентная связь,
металлическая связь.
2. Химическая связь и ближний порядок. Структура вещества с
ненаправленным
взаимодействием.
Примеры
кристаллических
структур, отвечающих плотным упаковкам шаров: простая кубическая,
ОЦК, ГЦК, ГПУ, структура типа CsCl, типа NaCl, структура типа
перовскита CaTiO3.
3. Основные
свойства
ковалентной
связи.
Структура
веществ
с
ковалентными связями. Структура веществ типа селена. Гибридизация
атомных орбиталей в молекулах и кристаллах. Структура типа алмаза и
графита.
Раздел 3. Дефекты в твердых телах (3/1 час.)
1. Точечные дефекты, их образование и диффузия. Вакансии и
межузельные атомы. Дефекты Френкеля и Шоттки.
2. Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций
в пластической деформации.
Раздел 4. Дифракция в конденсированных средах(3/1 час.)
1. Распространение волн в кристаллах. Дифракция рентгеновских лучей ,
нейтронов и электронов в кристалле. Упругое и неупругое рассеяние,
их особенности.
2. Брэгговские отражения. Атомный и структурный факторы. Дифракция
в аморфных веществах.
МОДУЛЬ 2.
ТЕПЛОВЫЕ
И
ЭЛЕКТРОННЫЕ
СВОЙСТВА
КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД(9 часов / в том числе 3 часа в
интерактивной форме)
Раздел 1. Колебания решетки (3/1 час.)
1. Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов.
Простая и сложная одномерные цепочки атомов.
2. Закон дисперсии упругих волн. Акустические и оптические колебания.
3. Квантование колебаний. Фононы. Электрон-фононное взаимодействие.
Раздел 2. Тепловые свойства конденсированных сред(3/1 час.)
1. Теплоемкость твердых тел. Решеточная теплоемкость. Электронная
теплоемкость. Температурная зависимость решеточной и электронной
теплоемкости.
2. Классическая теория теплоемкости. Закон равномерного распределения
энергии по степеням свободы в классической физике. Границы
справедливости классической теории.
3. Квантовая теория теплоемкости по Эйнштейну и Дебаю. Предельные
случаи высоких и низких температур. Температура Дебая.
4. Тепловое расширение твердых тел. Его физическое происхождение.
Ангармонические колебания.
5. Теплопроводность решеточная и электронная. Закон Видемана –
Франца для электронной теплоемкости и теплопроводности.
Раздел 3. Электронные свойства конденсированных сред(3/1 час.)
1. Электронные свойства твердых тел: основные экспериментальные
факты. Проводимость, эффект Холла, термоэдс, фотопроводимость,
оптическое поглощение. Трудности объяснения этих фактов на основе
классической теории Друде.
2. Основные положения зонной теории. Граничные условия Борна –
Кармана. Теорема Блоха. Блоховские функции. Квазиимпульс. Зоны
Бриллюэна. Энергетические зоны.
3. Брэгговское отражение электронов при движении по кристаллу.
Полосатый спектр энергии.
4. Приближение
сильно
связанных
электронов.
Связь
ширины
разрешенной зоны с перекрытием волновых функций атомов. Закон
дисперсии. Тензор обратных эффективных масс.
5. Приближение почти свободных электронов. Брэгговские отражения
электронов.Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность
Ферми.
Плотность
состояний.
полупроводники. Полуметаллы.
МОДУЛЬ3.
Металлы,
диэлектрики
и
МАГНИТНЫЕ
И
ОПТИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД(9 часов / в том числе 3 часа в
интерактивной форме)
Раздел 1. Классификация магнетиков. Неупорядоченные магнетики(3/1
час.)
1. Основные
понятия.
Магнитный
орбитальный
момент
атома.
Спиновый
магнитные
и
моменты.
Намагниченность.Восприимчивость.
2. Неупорядоченные магнетики. Диамагнетики и парамагнетики. Законы
Кюри и Кюри – Вейсса.
3. Парамагнетизм и диамагнетизм электронов проводимости.
Раздел 2. Упорядоченные магнетики(3/1 час.)
1. Природа ферромагнетизма. Фазовый переход в ферромагнитное
состояние.
Роль
обменного
взаимодействия.
Точка
Кюри
и
восприимчивость ферромагнетика.
2. Ферромагнитные домены. Причины появлениядоменов. Доменные
границы (Блоха, Нееля).
3. Антиферромагнетики.
Магнитная
структура.
Точка
Нееля.
Восприимчивость антиферромагнетиков. Ферримагнетики. Магнитная
структура ферримагнетиков.
4. Спиновые волны, магноны.
5. Движение магнитного момента в постоянном и переменном магнитных
полях. Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный
резонанс.
Раздел 3. Поглощение и отражение электромагнитных волн(3/1 час.)
1. Комплексная
диэлектрическая
проницаемость
и
оптические
постоянные. Коэффициенты поглощения и отражения. Соотношения
Крамерса-Кронига.
2. Поглощения
света
поглощение,
в
полупроводниках
поглощение
свободными
(межзонное,
носителями,
примесное
решеткой).
Определение основных характеристик полупроводника с помощью
оптических исследований.
3. Проникновение высокочастотного поля в проводник Нормальный и
аномальный скин-эффекты. Толщина скин-слоя.
4. Магнитооптические
эффекты.Эффект
Фарадея.Эффект
Фохта.
Продольный и поперечный эффекты Керра.
МОДУЛЬ4.
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ(9 часов / в том числе 3 часа в
интерактивной форме)
Раздел
1.
Основные
свойства
низкотемпературных
сверхпроводников(3/1 час.)
1. Критическая температура. Эффект Мейсснера. Критическое поле и
критический ток.
2. Сверхпроводники первого и второго рода. Их магнитные свойства.
Вихри Абрикосова. Глубина проникновения магнитного поля в
образец.
3. Эффекты Джозефсона.
Раздел
2.
Теория
сверхпроводимости.
Высокотемпературные
сверхпроводники(3/1 час.)
1. Теория
Бардина-Купера-Шрифера.
Энергетическая щель.
Длина
когерентности.
2. Высокотемпературные сверхпроводники
II.
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
КУРСА
Не предусмотрены учебным планом
III. КОНТРОЛЬ ДОСТИЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ КУРСА
Фонд оценочных средств прилагается.
IV. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература
1. Стрекалов,
Ю.А.
Физика
твердого
тела:
Учебное
пособие
[Электронный ресурс] / Ю.А. Стрекалов, Н.А. Тенякова. - М.: ИЦ
РИОР:
НИЦ
Инфра-М,
2013.
-
307
с.
http://znanium.com/bookread.php?book=363421
2. Борисенко, В. Е. Наноэлектроника: теория и практика [Электронный
ресурс] : учебник / В. Е. Борисенко, А. И. Воробьева, А. Л. Данилюк,
Е. А. Уткина.—3-е изд. (эл.).— М. : БИНОМ. Лаборатория знаний,
2013. — 366 с. http://znanium.com/bookread.php?book=485670
3. Ванюшина, И. В., Верховцевой,А. В., Горшковой, Н. М. Основы
физики полупроводников: Нанофизика и технические приложения /И.
В. Ванюшина, А. В. Верховцева, А. В. Горшкова. –М.:Физматлит.,
–
2012.
771с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:674361&theme=FEFU
4. Дубровский,
В.
Г.
Теория
формирования
эпитаксиальных
наноструктур / В. Г. Дубровский. – М.: Физматлит., 2009. – 350 с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:290022&theme=FEFU
Дополнительная литература
1. Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела: учебное руководство / Ч.
Киттель.
М.:
-
Наука,
1978.
–
791
с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:63726&theme=FEFU
2. Ашкрофт, Н. Физика твердого тела т.1 / Н. Ашкрофт, Н. Мермин. – М.:
Мир,
1979.
–
400
с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:67373&theme=FEFU
3. Ашкрофт, Н. Физика твердого тела т.2 / Н. Ашкрофт, Н. Мермин. – М.:
Мир,
1979.
–
423
с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:67374&theme=FEFU
4. Уэрт, Ч., Физика твердого тела/ Ч. Уэрт, Р. Томсон. - М., Мир, 1969. –
560 с. http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:71064&theme=FEFU
5. Займан, Дж. Принципы теории твердого тела / Дж. Займан. - М.: Мир,
1974.
–
472
с.
http://lib.dvfu.ru:8080/lib/item?id=chamo:57998&theme=FEFU
6. Каталог по дисциплине:
http://znanium.com/catalog.php?item=booksearch&code=%D1%84%D0%B8%D0
%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0%20%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B4
%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%
D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D1%81%D0%BE%D1%8
1%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D1%8F