Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu - Centralny punkt logowaniaNie jesteś zalogowany | zaloguj się
katalog przedmiotów - pomoc

Teoria ciała stałego

Informacje ogólne

Kod przedmiotu: 0800-TECIS Kod Erasmus / ISCED: (brak danych) / (0533) Fizyka
Nazwa przedmiotu: Teoria ciała stałego
Jednostka: Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej
Grupy: Fizyka s2, przedmioty wszystkie
Strona przedmiotu: http://www.fizyka.umk.pl/~wj/EDU/TCS/
Punkty ECTS i inne: 5.00
Język prowadzenia: polski
Wymagania wstępne:

Elementarna znajomość mechaniki kwantowej oraz fizyki fazy skondensowanej.

Rodzaj przedmiotu:

przedmiot obowiązkowy

Całkowity nakład pracy studenta:

- godziny realizowane z udziałem nauczycieli: 60, w tym wysłuchanie wykładu 40 h, ćwiczenia rachunkowe 20 h,

- czas poświęcony na pracę indywidualną potrzebny do pomyślnego zaliczenia przedmiotu: 40 h

- czasy wymagany do przygotowania się i uczestnictwa w procesie oceniania: 25 h

Efekty uczenia się - wiedza:

W1 - Ma uporządkowaną, rozszerzoną wiedzę z fizyki oraz poszerzoną wiedzę w zakresie studiowanej specjalności. W szczególności: ma wiedzę dotyczącą struktury krystalicznej i symetrii ciał stałych oraz ich związku z właściwościami fizycznymi kryształów. Ma wiedzę o trendach rozwojowych i najistotniejszych osiągnięciach z dziedzin nauki i dyscyplin naukowych powiązanych z fizyką i zastosowaniami fizyki, w szczególności nt. fizyki grafenu i nadprzewodnictwa.(fizyka techniczna K_W01).

W2 - Zna podstawowe prawa fizyki kwantowej,

posiada wiedzę o podstawowych składnikach materii i rodzajach podstawowych oddziaływań między nimi. W szczególności ma wiedzę na temat (a) teorii grup i teorii reprezentacji w zastosowaniu do ciała stałego, (b) fundamentalnych przybliżeń fizyki kwantowej stosowanych do opisu ciała stałego, (c) metod opisu struktury elektronowej kryształów, (d) metod opisu drgań sieci krystalicznej. (fizyka K_W05)

Efekty uczenia się - umiejętności:

U1 - potrafi w sposób zrozumiały, używając formalizmu

matematycznego, przedstawiać podstawowe prawa fizyki kwantowej z zakresu ciała stałego; potrafi zastosować metodę naukową w rozwiązywaniu problemów i wnioskowaniu (fizyka K_U01, fizyka techniczna K_U01). W szczególności potrafi powiązać twierdzenie Blocha z symetrią translacji i pasmową strukturą energetyczną kryształów. Potrafi odnaleźć elementy symetrii w strukturach krystalicznych.

U2 - potrafi znajdować niezbędne informacje w literaturze fachowej,

potrafi odtworzyć tok rozumowania z uwzględnieniem poczynionych założeń i przybliżeń (fizyka techniczna K_U04, fizyka K_U04);

U3 - potrafi posługiwać się aparatem matematycznym w opisie i modelowaniu zjawisk i procesów fizycznych z zakresu fizyki ciała stałego (fizyka K_U03). W szczególności potrafi zdefiniować matematyczne postaci operatorów będących podstawowymi elementami kwantowej teorii układów wieloelektronowych.

Efekty uczenia się - kompetencje społeczne:

K1 - zna ograniczenia własnej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego kształcenia (fizyka: K_K01, fizyka techniczna: K_K01)

K2 - ma świadomość i zrozumienie społecznych aspektów praktycznego stosowania zdobytej wiedzy (fizyka K_K02)

K3 - potrafi określać priorytety służące realizacji zadań (fizyka techniczna K_K04)

Metody dydaktyczne:

Wykład multimedialny prezentujący podstawowe elementy teorii ciała stałego.

Ćwiczenia: zadania rachunkowe n.t. teorii grup, teorii reprezentacji, wiązań chemicznych w kryształach, teorii pasmowych ciał stałych i drgań sieci krystalicznej.

Metody dydaktyczne podające:

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

Metody dydaktyczne poszukujące:

- ćwiczeniowa
- klasyczna metoda problemowa

Skrócony opis:

Wprowadzenie do teorii ciała stałego. W pierwszej kolejności omawiana jest teoria grup w zastosowaniu do problemów fazy skondensowanej; elementy abstrakcyjnej teorii, grupy punktowe, grupy przestrzenne, sieci krystalograficzne, reprezentacje grup i ich związek z widmem energii układu fizycznego. W dalszym etapie omawiane są wiązania chemiczne. Następnie podstawowe przybliżenia stosowane w teorii układów wieloelektronowych i podstawowe metody opisu energetycznej struktury pasmowej kryształów. Dalej, teoria drgań sieci krystalicznej oraz opis kwantowy - fonony. Następnie rozpraszanie cząstek na kryształach (także nieelastyczne). Na koniec: elementy nadprzewodnictwa.

Pełny opis:

1. symetria kryształów

a. elementy teorii grup

b. symetria translacji

c. grupy punktowe i grupy obrotów

d. sieci Bravais; sici z bazą

e grupy przestrzenne

f. teoria reprezentacji

g. sieć odwrotna

h. grupa wektora falowego

2. wiązania chemiczne i związek z typami sieci

a. wiązanie jonowe

b. wiązanie kowalencyjne

c. hybrydyzacja orbitali

d. wiązanie Van der Waalsa

3. przybliżenie adiabatyczne

4. przybliżenie jedno-elektronowe

5. metoda Hartriego-Focka

6. twierdzenie Blocha

7. periodyczne warunki brzegowe

8. metody przybliżone opisu struktury elektronowej

a. model elektronu swobodnego (1D, 2D, 3D)

b. model prawie swobodnych elektronów

- powstawanie pasm

- pasmowa koncepcja metali i półprzewodników

- koncepcja masy efektywnej

- koncepcja dziury

- koncepcja poziomu Fermiego

- powierzchnia Fermiego

c. metoda ciasnego (silnego) wiązania

- związek z met. Hückla (LCAO)

- powstawanie pasm

- sieć 1D

- sieć 2D (przykłady, grafit, nanorurki)

- sieć 3D (przykłady)

d. metoda kp

e. tensor odwrotności masy efektywnej

f. metoda pseudopotencjału

g. inne metody (komórkowe,OPW, APW)

9. wpływ pola elektrycznego i magnetycznego

10. drgania sieci – fonony

a. model Debye’a

b. dyskretny model atomowy; pasma optyczne i akustyczne

c. drgania normalne; kwantowanie – fonony

d. procesy rozpraszania

11. Nadprzewodnictwo

Literatura:

1. C. Kittel, Wstęp do teorii ciała stałego, PWN Warszawa, 1999;

2. www.fizyka.umk.pl/~wj/EDU/TCS/

3. K. Sierański i in., Półprzewodniki i struktury półprzewodnikowe, OW PWr., 2002

4. dowolny podręcznik z teorii grup w fizyce lub/i chemii

5. G.L. Bir, G.E. Pikus, Symetria i odkształcenia w półprzewodnikach, PWN 1977

5. I.M. Cydlikowski, Elektrony i dziury w półprzewodnikach, PWN 1976

Metody i kryteria oceniania:

Ćwiczenie - zaliczanie na podstawie wyników dwóch kolokwiów (sprawdzianów).

Wykład: egzamin pisemny składający się z ok. 15 pytań (odpowiedź na każde pytanie punktowana jest w skali 0-3 lub 0-1), na które należy udzielić krótkich odpowiedzi. Do zaliczenia ćwiczeń oraz do zdania egzaminu wymagane jest udzielenie, poprawnych odpowiedzi na minimum połowę pytań (zadań) lub uzyskanie wyniku powyżej 50% punktacji.

Oceniane są efekty uczenia się w zakresie wiedzy, w szczególności te opisane jako przedmiotowe, oraz te w zakresie umiejętności.

weryfikacja egzaminu: FT - W1, F - W2

weryfikacja kolokwium: FT - U1, F - U1, U2.

Tabela stopni z egzaminu:

< 50% - ndst,

(50-60%) - dst

(61-70%) - dst plus

(71-80%) - db

(81-90%) - db plus

(91-100%) - bdb

W czasach kiedy zajęcia muszą być prowadzone w sposób zdalny, zaliczenie ćwiczeń może opierać na ocenie prac domowych a egzamin może być przeprowadzony w formie ustnej (pięć pytań do wyboru z listy).

Praktyki zawodowe:

bez praktyk zawodowych

Zajęcia w cyklu "Semestr letni 2017/18" (zakończony)

Okres: 2018-02-26 - 2018-09-30
Wybrany podział planu:


powiększ
zobacz plan zajęć
Typ zajęć: Ćwiczenia, 20 godzin więcej informacji
Wykład, 40 godzin więcej informacji
Koordynatorzy: Włodzimierz Jaskólski
Prowadzący grup: Włodzimierz Jaskólski, Piotr Żuchowski
Lista studentów: (nie masz dostępu)
Zaliczenie: Przedmiot - Egzamin
Ćwiczenia - Zaliczenie na ocenę
Wykład - Egzamin

Zajęcia w cyklu "Semestr letni 2018/19" (zakończony)

Okres: 2019-02-25 - 2019-09-30
Wybrany podział planu:


powiększ
zobacz plan zajęć
Typ zajęć: Ćwiczenia, 20 godzin więcej informacji
Wykład, 40 godzin więcej informacji
Koordynatorzy: Włodzimierz Jaskólski
Prowadzący grup: Włodzimierz Jaskólski, Piotr Żuchowski
Lista studentów: (nie masz dostępu)
Zaliczenie: Przedmiot - Egzamin
Ćwiczenia - Zaliczenie na ocenę
Wykład - Egzamin

Zajęcia w cyklu "Semestr letni 2019/20" (zakończony)

Okres: 2020-02-29 - 2020-09-20
Wybrany podział planu:


powiększ
zobacz plan zajęć
Typ zajęć: Ćwiczenia, 20 godzin więcej informacji
Wykład, 40 godzin więcej informacji
Koordynatorzy: Włodzimierz Jaskólski
Prowadzący grup: Włodzimierz Jaskólski, Piotr Żuchowski
Lista studentów: (nie masz dostępu)
Zaliczenie: Przedmiot - Egzamin
Ćwiczenia - Zaliczenie na ocenę
Wykład - Egzamin

Zajęcia w cyklu "Semestr letni 2020/21" (w trakcie)

Okres: 2021-02-22 - 2021-09-20
Wybrany podział planu:


powiększ
zobacz plan zajęć
Typ zajęć: Ćwiczenia, 20 godzin więcej informacji
Wykład, 40 godzin więcej informacji
Koordynatorzy: Włodzimierz Jaskólski
Prowadzący grup: Filip Brzęk, Włodzimierz Jaskólski, Piotr Żuchowski
Lista studentów: (nie masz dostępu)
Zaliczenie: Przedmiot - Egzamin
Ćwiczenia - Zaliczenie na ocenę
Wykład - Egzamin

Zajęcia w cyklu "Semestr letni 2021/22" (jeszcze nie rozpoczęty)

Okres: 2022-02-28 - 2022-09-20
Wybrany podział planu:


powiększ
zobacz plan zajęć
Typ zajęć: Ćwiczenia, 20 godzin więcej informacji
Wykład, 40 godzin więcej informacji
Koordynatorzy: Włodzimierz Jaskólski
Prowadzący grup: Włodzimierz Jaskólski, Piotr Żuchowski
Lista studentów: (nie masz dostępu)
Zaliczenie: Przedmiot - Egzamin
Ćwiczenia - Zaliczenie na ocenę
Wykład - Egzamin
Opisy przedmiotów w USOS i USOSweb są chronione prawem autorskim.
Właścicielem praw autorskich jest Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu.