Дисциплина «Физика твёрдого тела, конденсированных состояний вещества наносистем»

       ДИСЦИПЛИНА

«ФИЗИКА  ТВЁРДОГО  ТЕЛА, КОНДЕНСИРОВАННЫХ СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА НАНОСИСТЕМ»

       Направление  подготовки:

       222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника»

       Магистерская  специализация:

       «Инженерно-физические технологии в наноиндустрии»

       Квалификация(степень) выпускника  -  магистр

               

  - 1-

        ПРОГРАММА  ДИСЦИПЛИНЫ

1.Цели  и  задачи  дисциплины.

Основная  цель – обучение  студентов  физическим  принципам  после - довательного  рассмотрения  методов  описания  структуры  твёрдых  тел,  динамики  движения  в  них  образующих  их  атомов  и  электронов, постро-ения  их  термодинамических  и  кинетических  характеристик.

       Цель  дисциплины – получение  студентами  теоретических  знаний  и  методов  их  использования  по  базисным  основам  теории  реальных  твёрдых  тел, включая  природу  существования  конденсированного  состо - яния  вещества  и  его  особенностей  в  зависимости  от  соотношения  пара-метров, определяющих  это  состояние.

       Студенты  изучают  методы  описания  характеристик  твёрдых  тел  на  различных  модельных  структурах  с  обязательным  выделением  общих закономерностей, присутствующих  во  всех  рассматриваемых  примерах,  с  последующим  обобщением  на  произвольные  структуры.

  2.Место  дисциплины  в  структуре  ООП.

       Цикл, к  которому  относится  дисциплина,-общенаучный, фундамен-тальный. Для  понимания  и  усвоения  дисциплины  студенты  должны  вла - деть  результатами  учебных  курсов  по  дисциплинам: математический  ана-лиз  и  элементы  теории  функций, общая  физика, термо-  и  электродинами-ка, элементы  физической  химии.

       Студенты  должны:

ЗНАТЬ

.общую  физику  и  элементы  физической  химии  в  применении  к  определению  физических  параметров  различных  твёрдых  тел; 

.математическое  описание  динамики  атомов  и  электронов  твёрдых тел  в  различных  потенциальных  полях  и  методы  решения  возникающих  дифференциальных  уравнений  с  анализом  свойств  этих  решений.

       - 2 -

       УМЕТЬ

       .использовать  общие  методы  исследования  в  конкретных  систе-мах;

       .связывать  полученные  модельные  результаты  с  наблюдаемыми  общими  закономерностями  и  применять  методы  анализа  к  исследованию и  пониманию  новейших  результатов  в  изучаемой  области;

       .проводить  самостоятельные  научные  исследования  физических  свойств  наноматериалов  разной  природы.

       ВЛАДЕТЬ

       общими  методами  анализа  физических  свойств  различных  мате - риалов, позволяющими  выделять  определяющие  эти  свойства  взаимодей-ствия  в  реальных  структурах.

       3.Результаты  освоения  дисциплины.

       Процесс  изучения  дисциплины «Физика  твёрдого  тела»  поз-  воляет:

       УЗНАТЬ

       .особенности  различных  твёрдотельных  структур  всвязи  с  физическими  процессами  взаимодей ствия  образующих  их  частиц;

       .методы  описания  измеряемых  параметров  твёрдых  тел  и  их взаимосвязей  с  механизмами  внутренних  взаимодействий.

       УМЕТЬ

       .применять  полученную  информацию  для  исследования  кон - кретных  процессов в  реальных  наноструктурах  и  последующего  анализа  применимости  получаемых  закономерностей;

       .активно  осваивать  новейшие  экспериментальные  результаты и  методы  их  теоретического  описания  в  текущей  научной  литературе;

       .проводить  самостоятельную  научную  работу  по  исследова-

       - 3 -

нию  свойств  конкретных  структур, выбору  моделей  их  описания  и  оцен-ке  точности  модельных  результатов;

       .профессионально  оформлять  и  представлять  полученные  ре-зультаты, соотносить  их  значимость  в  общей  структуре  исследований.

       3.Объём  учебной  дисциплины  и  виды  учебной  работы.

       Вид  занятий  Всего  часов  Семестр

  Общая  трудоёмкость  128  1

  Аудиторные  занятия  64  64

  Лекции        40        40

  Семинары        24        24

       Самостоятельная  работа        64        64

Самостоятельная  проработка  учебного

       материала        40        40

Контрольная  работа         4         4

Домашняя  работа        20        20

  Итоговый  контроль        Зачёт

       4.Содержание  дисциплины.

       1) Конденсированная  фаза  вещества  как  наиболее  энергетически  выгодное  состояние  макроскопической  системы  взаимодействующих  час-тиц.

  2) Спектр  колебательных  частот  и  особенности  поведения  сме- 

       - 4 -

щений  и  скоростей  атомов  одноатомного  линейного  кристалла.

       3) Двухатомный  линейный  кристалл, спектр  колебаний  его  ато-  мов. Акустические  и  оптические  колебания, особенности  групповых  и  фазовых  скоростей  различных  колебаний, поведение  смещений  атомов.

       4) Максимальная  и  минимальная  длины  волн  смещений  атомов  кристалла, учёт  периодичности  и  определение  квазиволнового  вектора, его  значений  и  их  полного  числа (связь  с  полным  набором  колебатель - ных  степеней  свободы  всех  атомов  кристалла).

       5) Представление  полной  энергии  колебаний  атомов  произволь - ного  кристалла  как  совокупности  фиксированного  числа  независимых  гармонических  осцилляторов. Квантовое  представление, отдельные  кванты колебаний – фононы.

       6) Термодинамика  колеблющегося  кристалла – полная  тепловая  энергия  и  её  температурное  поведение  в  разных  интервалах  значений  температуры, температурный  ход  теплоёмкости.

       7) Полный  набор  колебательных  состояний  произвольного  крис - талла  , представление  через  него  полной  тепловой  энергии.

       8) Дебаевское  приближение  и  определение  полной  энергии  и  теплоёмкости  во  всём  интервале  температур.

       9) Средний  квадрат  смещения  атома  в  произвольном  кристалле  как  характеристика  колебательного  состояния  всего  кристалла. Темпера-  турное  поведение  среднего  квадрата,  неустойчивость  одно-  и  двумерных кристаллов. Влияние  смещения  атомов  на  сопротивление  металлов.

  10) Рассеяние  на  кристалле  монохроматических  тепловых  ней-  тронов. Восстановление  по  упругому  и  неупругому  рассеянию  структуры кристалла  и  его  фононного  спектра.

       11) Уравнение  состояния  колеблющегося  кристалла  и  его  тепло - вое  расширение, закон  Грюнайзена.

       12) Собственные  квантовые  состояния  электрона  в  поле  строго  периодического  потенциала  кристаллической  решётки, волновая  функция  Блоха. Зонный  характер  электронного  спектра. Заполнение  зонных  состоя - ний  электронами, классификация  кристаллов  по  типу  проводимости.

       - 5 -

       13) Движение  электрона  металла  в  однородном  внешнем  элек - трическом  поле. Ускорение  и  тензор  обратных  эффективных  масс.

       14) Движение  электрона  металла  в  стационарном  внешнем  маг - нитном  поле. Сохраняющиеся  величины. Движение  по  годографу, его  пе - риод  и  циклотронные  эффективные  массы.

       15) Приближение  «узкой» зоны. Спектр  электрона  для  простой  кубической  решётки, тензор  обратных  эффективных  масс  во  всём  интер - вале  изменения  квазиимпульса.

       16) Приближение  сильного  перекрытия  валентных  оболочек  ато - мов, почти  свободное  движение  электрона  в  однородном  поле  решетки. Формирование  энергетических  зон  из  порабол  свободного  движения.

       17) Теплоёмкость  электронов  металла.

       18) Магнитная  восприимчивость  электронов  металла, пара-  и  диа-магнитные  вклады.

       5. Практические  занятия (семинары).

       1) Вероятности  распределения  координат  и  импульсов  класси - ческого  гармонического  осциллятора.

       2) Температурное  распределение  вероятностей  координат  и  им - пульсов  классического  осциллятора.

       3)  Спектр  квантового  осциллятора, переходы  между  уровнями. Учёт  принципа  неопределённости, энергия  нулевых  колебаний.

       4) Среднее  термодинамическое  число  колебательных  квантов, распределение  Планка  и  его  предельные  значения  при  низких  и  высо-  ких  температурах.

       5) Температурное  поведение  тепловой  энергии  и  теплоёмкости квантового  осциллятора.

       - 6 -

       6) Энтропия  квантового  осциллятора, её  температурное  пове - дение  и  связь  с  процессом  хаотизации  движения.

       7) Уравнение  состояния  квантового  осциллятора  и  темпера-  турное  поведение  создаваемого  им  давления.

       8) Спектр  колебаний  двухатомного  линейного  кристалла  из  химически  одинаковых  атомов.

       9) Спектр  колебаний  двухатомного  линейного  кристалла  при  учёте  взимодействия  с  неближайшими  соседями, аномалии  спектра  в  ок - рестности  точки  неустойчивости.

       10) Средние  по  спектру  колебаний  значения  разных  степе-  ней  частоты, аномальное  поведение  длинноволновых  частот.

       11) Одномерные  движения  квантового  электрона  , рассеяние  на  потенциальных  барьерах. Квантовое  туннелирование.

       12) Рассеяние  квантового  электрона  на  потенциальной  яме.

       13) Дискретность  энергетического  спектра  квантового  элек -  трона  при  его  движении  внутри  потенциальной  ямы.

       ЛИТЕРАТУРА

       1.Ч. КИТТЕЛЬ. Элементарная  физика  твёрдого  тела. М.,Наука,

       1965 г.

        2. Н. АШКРОФТ, Н. МЕРМИН. Физика  твёрдого  тела. В 2-х то- 

       мах. М., «Мир»,1979 г. 

       3. В. П.ДРАГУНОВ, И.Г. НЕИЗВЕСТНЫЙ, В.А. ГРИДЧИН.

        Основы  наноэлектроники. Учебное  пособие. Новосибирск,

       из-во  НГТУ, 2000 г.