FTF 2019, kursplan

FTF 2019, detaljerad kursplan

* Markerar källor. H-H är Hook and Hall, A-M Ashcroft and Mermin, Kittel Kittel. Alla heter "Solid State Physics" utom Kittel som heter "Introduction to Solid State Physics", trots att den är egentligen den mest avancerade av dem.

# Betecknar material som lämnas bort om tiden inte räcker till

Vissa termer har inte översatts till svenska i denna lista, men jag strävar att hitta korrekta översättningar under kursens lopp.

  1. Inledning, motivation

    1. Kursens innehåll
    2. Fasta tillståndets fysik: vad är det, och vad inte ?
      - Terminologi: "solid state physics" vs. "condensed matter physics" vs. "materials physics" vs. "materials science"
    3. Motivation: var behövs (världen, Uni, Poli, VTT, finsk industri)

  2. Statiska atom-egenskaper: hur är material uppbyggda

    1. Kristallstruktur

      1. Gitter i matematisk mening
        - De 5 2-dimensionella gittren
        - De 13 3-dimensionella gittren
      2. Kristallstruktur = gitter + bas
        - Bas
        - Hur behandla en bas matematiskt/på dator
      3. Enhetskristallina och mångkristallina ämnen, kristallkorn
      4. Specifika kristallstrukturer
        - Enkla Bravais-gitter: FCC, HCP, BCC
        - Diamantstrukturen
        - Vilka grundämnen har dessa, varför
        - Compound-strukturer: NaCl, CsCl, Zincblende, Cu3Au
        - "Packing fraction"
      5. Kvasikristaller
      6. Nanomaterials struktur
        - Nanokristaller
        - Kolnanomaterial
      * H-H 1, A-M 4, 7

    2. Röngendiffraktion

      1. Braggs lag, von Laue-formuleringen
      2. Reciproka gittret
      3. Miller-index
        - Notation: (100) vs. [100] vs. {100} vs < 100 >
      4. Pulverdiffraktion, roterande kristall
      5. Atom-formfaktorn
      * A-M 6, H-H 1.4, HH 11

    3. Gitterdefekter

      1. Grundtyper: punkt, linje, plan, volym-defekter (0D till 3D)
      2. Punktdefekter: Frenkelpar, interstitiell, vakans, orenheter
      3. Exempel på intrinsiska punktdefekters struktur
      4. Färgcentra, polaroner, excitoner
      5. Dislokationer, radningsfel
      6. Exempel på teknologisk tillämpning: evolution av defekter i kisel under chip-tillverkning
        - Frenkelpar -> små klustrar -> amorfering -> 311-linjedefekter -> stacking faults -> perfekta dislokationer
      * A-M 30, Kittel 18, 20, docentföreläsningen

    4. Atomers växelverkningsmodeller: varför hålls material ihop ?

      1. Jonbinding: Coulomb
      2. Van der Waals, LJ
      3. Metallbindning: sänk positiv laddning i elektrongas (EAM)
      4. Kovalenta bindningar
      5. Vätebindning
      6. Materialklassificering efter bindninstyp
        - metaller, keramiska material, organiska material
        - Samband med dislokationer
      7. Kohesionsenergi
      * H-H 1.6 mm.

    5. Fasta ämnens elastiska egenskaper (hårdhet och dyl.)

      1. Spänningar i kristaller (stress and strain)
      2. Kubiska systems elastiska konstanter (C11, C12 och C44)
      3. Bulkmodul, Young's modul, Poisson's kvot, olika shear-moduler.
        - isotropiska vs. anisotropiska kubiska material
      4. Skillnad mellan makroskopiska och mikroskopiska elastiska egenskaper (dislokationstäthetens roll)
      5. Samband med hållfasthetslära: elastiskt område, plastiskt område, materials brytning.
      * Kittel s. 80-

      Dynamiska egenskaper: elektroner och atomer i rörelse

    6. Kristalldynamik

      1. Fononer (gittervibrationer)
      2. Värmekapacitet från fononer
      * H-H 2 (A-M 22, A-M 23)

    7. Anharmoniska effekter

      1. När misslyckas den harmoniska modellen?
      2. Värme-expansion - Samband med växelverkningsmodeller
      3. Värmekonduktivitet från fononer
      * A-M 25, H-H 2.8

    8. Fri-elektronmodellen (hur leder metaller elektricitet)

      1. Drudeteorin
        - kvalitativ förklaring av elledning hos metaller
      2. Hall-effekten
        - när misslyckas Drude-teorin, behov av periodiska potentialer
      3. Fermi-ytan och Sommerfelds metallteori
      * H-H 3, A-M 1, 3, sid. 141-143

    9. Periodiska potentialer

      1. Samband med växelverkningsmodellerna (se ovan)
      2. Periodiska potentialer, bandstrukturen
      3. Metaller vs. halvledare vs. insulatorer
      4. Tight-binding-modellen: grunderna
      5. Fermi-ytan i verkliga metaller
      * H-H 4, 13.1-13.2

    10. Den semiklassiska modellen för elektrondynamik

      1. Effektiv massa
      2. Hål

    11. Halvledare

      1. Konduktions- och valensband
      2. Energigap, Ferminivå
      3. Elektroner och hål
      4. Donorer och acceptorer
      5. p-typs och n-typs material
      6. Hall-effekten
      7. Elektroniska egenskaper hos kolnanomaterial
      * H-H 5, A-M 28

    12. Grundläggande halvledarkomponenter

      1. p-n-gränsnittet
      2. p-n-dioden
      3. Ljusdioder och diodlasrar
      4. pnp-transistorn
      5. MOSFET-transistorn: grundstenen i dagens elektronik
      6. Moore's lag och Hur länge kan vi hållas på den?
      * H-H 6

    13. Elektriska egenskaper hos isolatorer

      1. Dielektriska material
      2. Pyroelektriska material
      3. Ferroelektriska material
      4. Piezo-elektriska material
      * H-H 9

      Magnetism och superkonduktivitet: inverkan av spin

    14. Diamagnetism och paramagnetism

      1. Paramagnetism
      2. Diamagnetism
      * H-H 7

    15. Ferromagnetism

      1. Magnetisk ordning
      2. Ferromagnetism
      3. Ferrimagnetism, antiferromagnetism
      4. Ferromagnetiska domän
      * H-H 8.1-8.4, 8.6

    16. Supraledning

      1. Supraledare av typ I och typ II
      2. Meissner-effekten
      3. London-ekvationen
      4. BCS-teorin för supraledare (grundideerna)
      5. Josephson-junktionen
      6. Hög-temperatur-supraledarmaterial
      * H-H 10

    17. Sammanfattning