Госуниверситета icon

Госуниверситета



Смотрите также:
Проспект и программа для поступающих в аспирантуру на Физический факультет       Физический...
-
Госуниверситета...
Ж. Д. Дамбиева Microsoft PowerPoint...
Председатель комиссии, профессор В. С. Цитленок...
Международная ассоциация по борьбе с наркоманией и наркобизнесом...
Программа, контрольное задание, методические указания по курсу «Статистика» Томск 200...
Рабочая программа дисциплины «Зоология» Код дисциплины по учебному плану опд ф. 3...
А. В. Белоконь Белоконь Александр Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор...
Образовательная программа реализуются на базе Пермского госуниверситета в форме курсов повышения...
Книга для психологов...
Список опубликованных работ Т. В. Краюшкиной...



скачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ


Кемеровский государственный университет

физический факультет


УТВЕРЖДАЮ

РЕКТОР КЕМЕРОВСКОГО

ГОСУНИВЕРСИТЕТА



_______________________


"_____"__________2010_ г.


Рабочая программа дисциплины

«Физика конденсированного состояния»


Направление подготовки

011200 Физика


Профиль подготовки

физика конденсированного состояния


Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр


Форма обучения

Очная


Кемерово

2010 г.

^ 1. Цели освоения дисциплины

Целью освоения дисциплины (модуля) «Физика конденсированного состояния» является систематическое изложение способов и методов применения основных принципов квантовой теории к исследованию свойств кристаллических твердых тел.


^ 2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Курс «Физика конденсированного состояния» входит в состав общих математических и естественнонаучных дисциплин, изучаемых на физическом факультете Кемеровского Государственного Университета. Курс «Физика конденсированного состояния» имеет тесную связь практически со всеми дисциплинами физического цикла и является основополагающим для большого числа дисциплин специализации, что в значительной степени относится к направлению материаловедения. При освоении данной дисциплины необходимо владеть основными понятиями и навыками курсов «Общая физика» и «Теоретическая физика».


^ 3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Физика конденсированного состояния»: ОК-1, 6, 16, ПК-1, 2, 4, 5, 10.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

  • Знать: основные свойства протяженных систем, обусловленные квантовым характером взаимодействий

  • Уметь: работать с объектами, которые характерны для рассматриваемых систем, включая прямое и обратное пространство, операции симметрии, многоэлектронные волновые функции

  • Владеть: методами решения многоэлектронных задач, таких, как метод Хартри, Хартри-Фока, Теория Функционала Плотности, а также специальными методами решения задач о расчете электронной структуры кристаллов, включая, в том числе, и их приближенные варианты – метод сильной связи, метод почти свободных электронов, метод эффективной массы.

    Указанные навыки должны служить основой для понимания физических основ таких явлений, как электрон-фононное взаимодействие, сверхпроводимость, а также широкого спектра оптических процессов в конденсированном состоянии



^ 4. Структура и содержание дисциплины (модуля) «Физика конденсированного состояния»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы ___72__ часа.


^ 4.1. Объём дисциплины и виды учебной работы (в часах)

4.1.1. Объём и виды учебной работы (в часах) по дисциплине в целом


Вид учебной работы

Всего часов

Общая трудоемкость базового модуля дисциплины

72

Аудиторные занятия (всего)

36

В том числе:




Лекции

18

Семинары

18

Самостоятельная работа

36

В том числе:




реферат




Индивидуальные работы




Вид промежуточного контроля

Зачёт

Вид итогового контроля зачёт

Зачёт

^ 4.1.2. Разделы базового обязательного модуля дисциплины и трудоемкость по видам занятий (в часах)





п/п


Раздел

Дисциплины

Семестр

Неделя семестра

Общая трудоёмкость (часах)

^ Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации (по семестрам)

Учебная работа

В.т.ч.

активных форм

Самостоятельная работа













всего

лекции

Практ.







1

Введение. Основные понятия. Основные положения физики твердого тела.

8

1

8

2

2

1

4

С/р №1

2

Квантовая задача многих тел. Адиабатическое приближение.

8

2

8

2

2

1

4

С/р №2

3

Одноэлектронное приближение.

8

3

8

2

2

1

4

С/р №3

4

Теория Функционала Плотности.

8

4

8

2

2

1

4

С/р №4

5

Методы решения уравнений зонной теории

8

5

8

2

2

1

4

зачёт

6

Электрон-фононное взаимодействие.


8

6

8

2

2

1

4

С/р №5

7

Сверхпроводимость.

8

7

8

2

2

1

4

С/р №6

8

Оптические свойства кристаллов.

8

8

8

2

2

1

4

С/р №7

9

Поверхностные состояния электронов.

8

9

8

2

2

1

4

С/р №8




^ Всего за 8 семестр







72

18

18




36

зачёт

^ 4.2 Содержание дисциплины


Содержание лекций базового обязательного модуля дисциплины




^ Наименование раздела дисциплины

Содержание раздела дисциплины

Результат обучения, формируемые компетенции

1


Введение. Основные понятия. Основные положения физики твердого тела.

Трансляционная симметрия, основные векторы трансляций, элементарная ячейка, ячейка Вигнера-Зейтца, обратная решетка, первая зона Бриллюэна, система единиц (атомная, релятивистская). Периодический потенциал, теорема Блоха, зонная структура, дисперсионная зависимость, классификация твердых тел. Элементарные возбуждения. Квазичастицы

ОК-1,

ПК-1,2,4


2

Квантовая задача многих тел. Адиабатическое приближение.

Общая формулировка квантовой задачи многих тел. Многоэлектронное уравнение Шредингера, Гамильтониан. Разделение атомных и электронных координат.

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5

3

Одноэлектронное приближение.

Валентное приближение. Вариационный принцип Ритца. Уравнения Хартри. Самосогласованный потенциал. Решение «самосогласованных» уравнений. Определитель Слэйтера. Вычисление средних значений с детерминантными функциями. Вариационный принцип. Уравнения Хартри-Фока. Обменная энергия.

ОК-1,6

ПК-1,2,5

4

Теория Функционала Плотности. Метод Кона-Шэма.

Электронная плотность, определение, основные свойства. Первая теорема Хоэнберга-Кона. Вторая теорема Хоэнберга-Кона, вариационный принцип для электронной плотности. Функционал полной энергии. Построение функционала энергии с использованием фиктивной системы невзаимодействуюших частиц. Уравнения Кона-Шэма. Обменно-корреляционная энергия.

ОК-1,6

ПК-1,2,5

5

Методы решения уравнений зонной теории


Общая формулировка задачи. Базисные функции. Секулярное уравнение. Метод плоских волн. Метод присоединенных плоских волн. Метод ортогонализованных плоских волн. Псевдопотенциал.

Линеаризация. Линейный метод присоединенных плоских волн (ЛППВ). Электрон в пустой решетке. Метод сильной связи. Метод почти свободных электронов. Эффективная масса. Теорема Ванье.

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5

6

Электрон-фононное взаимодействие.


Общие свойства взаимодействия электрона с колебаниями решетки. Тензор деформации, локальность. Деформационный потенциал. Гармонический осциллятор. Вторичное квантование, операторы рождения и уничтожения. Гамильтониан взаимодействия электронов с фононами в представлении чисел заполнения. Графическое представление, диаграммы Фейнмана. Простейшие типы взаимодействий. Виртуальные фононы. Взаимодействие электрона с деформацией решетки в случае сильной связи. Электрон-фононное взаимодействие в ионных кристаллах. Полярон. Модель Фрелиха.

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5

7

Сверхпроводимость. Микроскопическая теория.

Критическая температура. Эффект Мейснера-Оксенфельда. теория Лондонов. Уравнения Лондонов. Проникновение магнитного поля внутрь сверхпроводника. Теория Гинзбурга-Ландау. Параметр порядка. Уравнения Гинзбурга-Ландау. Длина когерентности. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Квантование магнитного потока. Флюксон. Электронное притяжение. Куперовские пары. Изотопический эффект.

ОК-1,6

ПК-4,5

8

Оптические свойства кристаллов. Квантовая теория оптических свойств кристаллов

Виды взаимодействия света с твердым телом; оптические константы; поглощение света кристаллами, собственное поглощение; экситонное поглощение; поглощение свободными носителями; примесное поглощение; решеточное поглощение. Рекомбинационное излу-чение в полупроводниках. Межзонная рекомбинация. Рекомбинация через локализованные центры. Экситонная рекомбинация. Твердотельные лазеры. Общий теоретический анализ межзонных оптических переходов; дипольное приближение; вертикальные переходы; связь с оптическими константами. Оптические свойства кристалла кремния.

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5



9

Поверхностные состояния электронов

Теоретическое обоснование существования поверхностных электронных состояний. Таммовские поверхностные состояния. Поверхностные уровни типа Шокли. Влияния поверхностных состояний на физические свойства. Методы изучения электронной структуры поверхности.

ОК-1,6

ПК-1,2,4



^ Содержание практических занятий базового обязательного модуля дисциплины




^ Наименование раздела дисциплины

Содержание раздела дисциплины

Результат обучения, формируемые компетенции

1


Структура и симметрия кристаллов. Решетка Бравэ. Основные векторы трансляций.


№№ 1.1, 1.5-1.7


ОК-1,6

ПК-1,2,4,5


2

Упаковка атомов в кристаллах. Коэффициент упаковки для решеток Бравэ. Атомные плоскости. Индексы Вейса.

№№ 1.2, 1.4


ОК-1,6

ПК-1,2,4,5


3

Обратная Решетка. Основные векторы трансляций обратной решетки. Зона Брилюэна.

№№ 1.9, 1.11, 1.12

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5


4

Общие свойства уравнения Шредингера для периодических систем. Теорема Блоха. Блоховские функции. kp-гамильтониан

№№ 3.1, 3.2, 3.4, 3.5, 4.1

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5


5

Модель Кронига-Пенни. Энергетические зоны.

№№ 4.2, 4.4

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5


6

Метод плоских волн. Периодический потенциал. Зонная структура в методе плоских волн.

№№ 4.3, 4.5

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5


7

Основные электронные характеристики: эффективная масса, скорость.

№№ 4.6, 4.7

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5


8

Метод сильной связи. Функции Ваннье. Задачи на вычисление дисперсионной зависимости для простых структур.

№№ 4.9-4.11, 4.8, 4.12, 4.13

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5


9

Поверхностные состояния электронов

В одномерной модели Кронига-Пени решить волновое уравнение для электрона, движущегося в поле следующего типа: внутри кристалла (область z>0) потенциал периодический, а вне (z<0) постоянный.

ОК-1,6

ПК-1,2,4,5



В графе 3 номера заданий даны из учебного пособия А.Б. Гордиенко «Физика конденсированного состояния» Решение задач.


^ 5. Образовательные технологии:

Лекции, семинары, консультации, индивидуальные работы, самостоятельные работы, деловые и ролевые игры, зачет.




6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.


Вопросы и задания для индивидуальной и самостоятельной работы.


  1. Дать определение решетки Бравэ.

  2. Какие свойства являются общими для примитивной ячейки и ячейки Вигнера-Зейтца ? В чем заключаются их отличия?

  3. Является ли прямая решетка обратной по отношению к своей обратной?

  4. Как вычисляется объем элементарной ячейки?

  5. Как вычисляется объем ячейки Вигнера-Зейтца?

  6. Указать число первых и вторых соседей для простой кубической решетки.

  7. Указать число ближайших соседей для гранецентрированной кубической решетки.

  8. Указать число ближайших соседей для объемно-центрированной кубической решетки.

  9. Изобразить плоскости [100], [110], [111] для простой кубической решетки.

  10. За счет каких взаимодействий стабилизируется кристаллическая структура ионных кристаллов.

  11. Может ли быть стабильным кристалл, атомы которого взаимодействуют только со своими ближайшими соседями?

  12. В чем состоит природа ковалентной связи.

  13. Каков механизм водородной связи.

  14. Привести примеры «скелетных» кристаллов и указать тип химической связи.

  15. Описать природу взаимодействия Ван-дер-Ваальса.

  16. Записать основное уравнение динамики решетки в гармоническом приближении.

  17. Перечислить основные свойства решений уравнений динамики решетки.

  18. В чем состоит отличие акустических колебаний от оптических.

  19. Какой тип решеточных колебаний приводит к поляризации кристалла и почему.

  20. Указать свойства волновой функции электронов в кристалле.

  21. Сформулировать теорему Блоха.

  22. Что называется Блоховской функцией?

  23. Какие типы квазичастиц могут существовать в кристаллах?

  24. В чем состоит механизм образования энергетических зон в кристаллах?

  25. Как зонная теория объясняет основное различие металлов и диэлектриков?

  26. Изобразить качественно схему энергетических зон полуметалла.

  27. Записать соотношение, связывающее вектор скорости электрона и его волновой вектор.

  28. Дать определение тензора эффективной массы. Какой вид имеет тензор в кубических кристаллах?

  29. Вычислить эффективную массу электрона в одномерном кристалле с законом дисперсии .

  30. Вычислить эффективную массу электрона для закона дисперсии .

  31. Дать определение плотности состояний.

  32. В чем состоит механизм рассеяния электронов на колебаниях решетки.

  33. Перечислить факторы, приводящие к рассеянию электронов в кристалле.

  34. Чем отличаются волновая функция поверхностных состояний и волновая функция для идеального кристалла?

  35. Перечислить типы дефектов в твердых телах.

  36. В чем состоит отличие дефекта по Френкелю от дефекта по Шоттки?

  37. Изобразить частотную зависимость диэлектрической проницаемости для диэлектрика с ионной поляризацией и указать поляритонную область.

  38. Указать основные свойства сверхпроводящего состояния.

  39. Дать качественное описание механизма возникновения сверхпроводимости.

  40. Сверхпроводимость: какие факторы указывают на определяющую роль колебаний решетки?


Вопросы к зачету.


  1. Основные понятия физики твердого тела: трансляционная симметрия, решетка Бравэ, основные векторы трансляций, элементарная ячейка, ячейка Вигнера-Зейтца.

  2. Основные понятия физики твердого тела: обратная решетка, векторы трансляций обратной решетки, зона Бриллюэна.

  3. основные понятия физики твердого тела: периодический потенциал, теорама Блоха (формулировка), зонная структура.

  4. Элементарные возбуждения. Квазичастицы.

  5. Общая формулировка квантовой задачи многих тел, многоэлектронное уравнение Шредингера.

  6. Адиабатическое приближение. Разделение атомных и электронных координат.

  7. Одноэлектронное приближение. Метод Хартри.

  8. Антисимметричные волновые функции. Метод Хартри-Фока.

  9. Определение и общие свойства электронной плотности.

  10. Теория Функционала Плотности: первая теорема Хоэнберга-Кона.

  11. Теория Функционала Плотности: вторая теорема Хоэнберга-Кона, вариационный принцип.

  12. Метод Кона-Шэма. Функционал энергии. Обменно-корреляционная энергия.

  13. Метод Кона-Шэма, уравнения Кона-Шэма.

  14. Методы решения зонных уравнений: базисные функции, секулярное уравнение.

  15. Метод плоских волн.

  16. Метод ячеек.

  17. Метод присоединенных плоских волн: МТ-потенциал.

  18. Метод присоединенных плоских волн: решение зонного уравнения.

  19. Общая схема линейного метода присоединенных плоских волн.

  20. Метод ортогонализованных плоских волн.

  21. Псевдопотенциал. Модельные и первопринципные псевдопотенциалы.

  22. Электрон в пустой решетке. Зонная структура.

  23. Приближение сильной связи: определение и общие свойства функций Ванье.

  24. Приближение сильной связи – закон дисперсии, энергетические зоны в методе сильной связи.

  25. Модель почти свободных электронов, теория возмущений. Зонная структура в схеме расширенных и приведенных зон.

  26. Периодические граничные условия. Вычисление интегралов по зоне Бриллюэна.

  27. Плотность состояний, вычисление для электрона в пустой решетке.

  28. Свойства электронов в кристаллах: эффективная масса электронов и дырок, тензор эффективной массы.

  29. Теорема Ванье.

  30. Скорость электрона. Уравнения движения.

  31. Электрон-фононное взаимодействие: общие свойства, тензор деформации, деформационный потенциал.

  32. Вторичное квантование и представление чисел заполнение для деформационного потенциала.

  33. Электрон-фононное взаимодействие – гамильтониана взаимодействия, диаграммы Фейнмана, элементарные процессы.

  34. Виртуальные фононы.

  35. Взаимодействие электронов с деформацией в случае сильной связи.

  36. Электрон-фононное взаимодействие в ионных кристаллах. Полярон, модель Фрелиха.

  37. Сверхпроводимость: критическая температура, эффект Мейснера-Оксенфельда. Уравнение Лондонов.

  38. Сверхпроводимость, проникновение магнитного поля в сверхпроводиник.

  39. Сверхпроводимость: теория Гинзбурга-Ландау.

  40. Сверхпроводимость: длина когерентности, сверхпроводники 1-го и 2-го рода.

  41. Квантование магнитного потока. Флюксон.

  42. Основные положения микроскопической теории сверхпроводимости.

  43. Виды взаимодействия света с твердым телом; оптические константы.

  44. Собственное поглощение; экситонное поглощение; поглощение свободными носителями; примесное поглощение; решеточное поглощение.

  45. Рекомбинационное излучение в полупроводниках. Межзонная рекомбинация.

  46. Рекомбинация через локализованные центры. Экситонная рекомбинация. Твердотельные лазеры.

  47. Общий теоретический анализ межзонных оптических переходов. дипольное приближение.

  48. Вертикальные переходы, связь с оптическими константами.


Примерные темы рефератов.

  1. Трансляционная симметрия кристаллов и её основные следствия.

  2. Квантовая задача многих тел. Адиабатическое приближение.

  3. Эффективный потенциал. Приближение Хартри-Фока и функционала электронной плотности.

  4. Методы решения уравнений зонной теории. Метод плоских волн (ПВ), линейных комбинаций атомных орбиталей (ЛКАО).

  5. Примеси и примесные уровни. Статистика носителей заряда. Неравновесные электроны и дырки.

  6. Взаимодействия электрона с колебаниями решетки. Виртуальные фононы. Диаграммы Фейнмана.

  7. Квазичастицы. Акустические и оптические фононы, плазмоны, экситоны Френкеля и Ванье.

  8. Сверхпроводимость. Электронное притяжение, куперовские пары.

  9. Конденсация бозонов. Сверхтекучесть.

  10. Квантовая теория оптических свойств кристаллов.

  11. Оптические свойства диэлектриков, металлов и полупроводников.

  12. Взаимодействие света с кристаллической решеткой, поляритоны.

  13. Рассеяния носителей заряда, проводимость, и кинетические свойства диэлектриков, металлов и полупроводников.

  14. Методы изучения поверхностных состояний.


^ 7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины


а) основная литература:

1. Блэйкмор, Дж. Физика твердого тела/ Дж. Блэйкмор. – М.: Мир, 1988. – 608 с.

2. Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела/ Ч. Киттель. – М.: Наука, 1978. – 792 с.

3. Зиненко, В.И. Основы физики твердого тела: учеб. пособие для вузов/ В.И. Зиненко, Б.П. Сорокин, П.П. Турчин. – М.: Физматлит, 2001. – 336 с.

4. Бонч-Бруевич, В.Л. Физика полупроводников/ В.Л. Бонч-Бруевич, С.П. Калашников. – М.: Наука, 1977. – 672 с.

5. Давыдов, А.С. Теория твердого тела/ А.С. Давыдов. – М.: Наука, 1976. – 639 с.

6. Павлов, П.В. Физика твердого тела/ П.В. Павлов, А.В. Хохлов. – М.: Высш. шк., 2000. – 494 с.

7. Гордиенко, А.Б. Физика конденсированного состояния. Решение задач: учебное пособие/ А.Б.Гордиенко, А.В.Кособуцкий; ГОУ ВПО «КемГУ»; Томск: Издательство ТГПУ, 2008. – 72 с.


б) дополнительная литература:

1. Эварестов Р.А. Квантовохимические методы в теории твердого тела, 1982

2. Барьяхтар В.Г., Зароченцев Е.В., Троицкая Е.Г. Методы вычислительной физии в теории твердого тела, 1990

3. Басалаев Ю.М., Гордиенко А.Б., Журавлев Ю.Н., Поплавной А.С. Моделирование элетронных состояний в кристаллах, 2001

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы: не требуется


^ 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Физика конденсированного состояния»




Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки 011200 Физика – Физика конденсированного состояния.


Автор: Корабельников Д.В. (ассистент КемГУ, к.ф.м.-н.)


Рабочая программа дисциплины
обсуждена на заседании кафедры теоретической физики


Рабочая программа дисциплины обсуждена на

заседании кафедры теоретической физики


Протокол № ______ от «______»_______________2010 г.


Зав. кафедрой ________________________Поплавной А.С.


Одобрено методической комиссией физического факультета


Протокол № ______ от «______»_______________2010 г.


Председатель _________________________Золотарев М.Л.




Скачать 168,8 Kb.
оставить комментарий
Дата02.12.2011
Размер168,8 Kb.
ТипРабочая программа, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх