1. Мета та завдання навчальної дисципліни
Мета: підготовка спеціалістів, що зрозуміли і засвоїли фундаментальні фізичні закономірності, які визначають властивості кристалічних і некристалічних твердих тіл і тонких плівок. Це дозволить майбутнім спеціалістам орієнтуватись та використовувати знання в різноманітних галузях техніки.
Задачею курсу є розгляд закономірностей, що виникають при об’єднанні окремих атомів в регулярно-впорядковані асоціації – тверде тіло.
У результаті вивчення навчальної дисципліни студент повинен отримати
загальні компетентності:
Ø здатність застосовувати знання у практичних ситуаціях;
Ø знання та розуміння предметної області та розуміння професійної діяльності;
Ø здатність вільно володіти державною мовою та спілкуватися іноземними мовами;
Ø здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел
фахові компетентності:
Ø здатність демонструвати і використовувати знання і розуміння наукових фактів, концепцій, теорій та технологій, необхідних для проектування та застосування мікро- та наносистемної техніки;
Ø здатність застосовувати та інтегрувати знання фундаментальних розділів фізики та хімії для розуміння процесів твердотільної і оптичної електроніки та наноелектроніки у геліоенергетиці, приладах і пристроях фізичного та біомедичного призначення;
Ø здатність ідентифікувати, класифікувати, оцінювати і описувати процеси у мікро- та наносистемній електронній техніці за допомогою аналітичних методів та засобів моделювання;
Ø здатність демонструвати та використовувати знання характеристик та параметрів матеріалів електронної техніки, аналогових та цифрових електронних пристроїв, мікропроцесорних систем та наносистемної техніки;
очікувані програмні результати навчання:
знання:
v основних принципів фізики твердого тіла;
v дефектів твердих тіл, їх електро- і теплопровідності, резонансних явищ, пружних властивостей тощо;
v методів фізичних досліджень, зв’язків між окремими розділами науки і техніки;
v числових значень фізичних величин;
v основних фізичних моделей
вміння:
v проводити розрахунки характеристик твердотільних матеріалів;
v використовувати фізичні моделі для рішення практичних задач.
2. Програма навчальної дисципліни
Змістовий модуль 1. Структурні властивості твердих тіл
Вступ.
Основні етапи розвитку фізики твердого тіла. Зв’язок дисципліни з іншими розділами фізики. Останні новини за матеріалами ПерсТ та Internet з фізики кластерів, металевих наноструктур, нанотехнологій, вуглецевих нанотрубок, фулеренів. Одноелектронні явища в наноструктурах.
Тема 1. Елементи механіки Лагранжа.
Узагальнені координати. Принцип Гамільтона. Рівняння Лагранжа. Закони збереження: енергії (однорідність часу), імпульсу (однорідність простору), моменту імпульсу (ізотропність простору).
Тема 2. Кристалічна структура, форма і симетрія твердих тіл.
Кристалічна структура твердого тіла. Монокристал. Полікристал. Однорідність. Анізотропія. Дискретні і суцільні середовища. Індекси Міллера. Елементарна комірка, основні вектори трансляції. Ґратки Браве. Базис. Обернена ґратка та її властивості.
Тема 3. Дефекти в кристалах.
Класифікація точкових дефектів. Термодинаміка дефектів. Міграція точкових дефектів, самодифузія. Визначення коефіцієнту самодифузії. Міграція домішкових атомів. Джерело та стік точкових дефектів. Визначення енергії утворення вакансії. Механізм Шотткі. Френкелівська пара. Кластери дефектів. Радіаційні дефекти. Каскад зіткнень, каналювання та фокусування зіткнень. Види дислокацій. Визначення вектора Бюргерса. Густина дислокацій та їх пружна енергія.
____________________________________________
Змістовий модуль 2. Електронні властивості твердих тіл
Тема 4. Класифікація твердих тіл. Енергія зв’язку.
Схема енергетичних зон електронів в твердих тілах. Характер заповнення енергетичних зон. Тунельний ефект. Діелектрики, напівпровідники, метали. Металеві, іонні, ковалентні та молекулярні кристали. Потенціали міжатомної взаємодії. Енергія зв’язку кристалічної ґратки. Сили Ван-дер-Ваальса. Іонні кристали. Ковалентний і металевий зв’язки.
Тема 5. Теплові властивості твердого тіла.
Температурна залежність теплоємності твердих тіл (експеримент). Класична теорія теплоємності. Закон Дюлонга і Пті. Причини обмеженості класичної теорії. Квантова теорія теплоємності твердих тіл по Ейнштейну. Низькі і високі температури. Недоліки попередніх теорій. Теорія теплоємності Дебая. Формула Дебая. Теплове розширення твердих тіл (експеримент). Теорія теплового розширення твердих тіл. Гармонічне та ангармонічне наближення.
Тема 6. Електронний газ у металах.
Експериментальні дослідження електропровідності металів в залежності від температури. Закон Ома. Класична теорія електропровідності. Вільні електрони. Розсіювання електронів, час релаксації. Недоліки теорії. Розподіл Фермі – Дірака. Рівень Фермі електронів в металах. Квантова теорія електропровідності Зомерфельда.
Тема 7. Електронні стани в кристалах.
Рішення рівняння Шредінгера для вільних електронів у твердому тілі. Наближення зонної теорії: наближення Борна – Оппенгеймера, одноелектронне наближення. Електрони і дірки. Електрон у періодичному потенційному полі атомів. Хвильовий вектор електрона, імпульс, швидкість. Хвильова функція Блоха та її фізичний зміст. Зони Бриллюена. Ефективна маса електронів і дірок у напівпровідниках. Донорні й акцепторні центри в напівпровідниках. Невироджений і вироджений напівпровідники. Рівень Фермі, концентрація електронів і дірок.
Тема 8. Контактні явища в твердих тілах.
Контактні явища. Робота виходу. Форма поверхневого бар’єра. Припущення Шотткі (контакт метал – напівпровідник). ВАХ контакту. Застосування бар’єрів Шотткі. Електронно-дірковий перехід.
- Викладач: Погосов Валентин