3821

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Физика конденсированного состояния

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия

направленность – Физика конденсированного состояния

2

ВОРОНЕЖ 2020

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Н.Ю. Евсикова, Н.Н. Матвеев, Н.С. Камалова, В.В. Саушкин

Физика конденсированного состояния

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия направленность – Физика конденсированного состояния

ВОРОНЕЖ 2020

3

УДК 519.876 Ф50

Евсикова Н.Ю. Физика конденсированного состояния [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния / Н.Ю. Евсикова, Н.Н. Матвеев, Н.С. Камалова, В.В. Саушкин; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2020. – 20 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводится содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы аспирантов по всем видам работ, предусмотренных учебным планом.

Методические указания предназначены для аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке аспирантов всех форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 2. Ил. 3. Библиогр.: 6 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры математики и физики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» Гриднева И.В.

Ответственный редактор: Камалова Н.С.

Коллектив авторов, 2020

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2020

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Физика конденсированного состояния является одной из базовых дисциплин для направления подготовки аспирантов 03.06.01 Физика и астрономия направленности – Физика конденсированного состояния. Она формирует у слушателей базу фундаментальных знаний и умений в выбранной научной области. Кроме того, эта дисциплина позволяет разработать индивидуальный подход к проведению научных исследований в рамках известных концепций, сконцентрировать внимание на выбранной проблематике и грамотно систематизировать результаты современных исследований, а также заложить аксиоматику будущих моделей исследуемых процессов или объектов. Освоение данной дисциплины необходимо исследователям, работающим в области физики конденсированного состояния.

Большая часть деятельности аспиранта проходит в форме самостоятельной работы:

1)проработка лекций;

2)отработка практических навыков;

3)применение полученных умений в исследовательской работе. Основная цель данных методических указаний – помочь аспирантам

сориентироваться в обширном информационном материале этой дисциплины для формирования необходимых навыков в области методов исследования конденсированных сред, моделировании процессов кинетики и динамики их микроструктуры и оценки влияния различных физических факторов на их свойства.

Методические указания предназначены для аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке аспирантов всех форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Физика конденсированного состояния» является получение аспирантами фундаментальных знаний о строении и свойствах конденсированных сред, современных способах экспериментального исследования различных материалов и формирование современных систематизированных представлений о физических моделях в области изучения основ современных технологий.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

изучение основных физических явлений и их модельных представлений в твердых телах при различных внешних воздействиях;

овладение фундаментальными понятиями, законами и теориями физики конденсированного состояния;

ознакомление с основными методами физического исследования современных материалов;

формирование научного мировоззрения и представления о фундаментальных основах современных технологий в области физики конденсированного состояния;

овладение навыками проведения физического эксперимента с конденсированными материалами.

В результате освоения дисциплины аспирант должен:

–знать: основные физические явления в кристаллах, фундаментальные понятия физики конденсированного состояния; законы и теории современной физики конденсированного состояния;

–уметь: формулировать постановку задачи из области физики конденсированного состояния; описывать методику и обрабатывать результаты эксперимента; логически осмысливать полученные результаты;

–владеть: навыками и умениями выделения конкретного физического содержания в прикладных задачах современных технологий на микроуровне, формализованного моделирования композитов искусственного и природного происхождения, планирования и проведения эксперимента по исследованию динамики основных характеристик конденсированных сред, оценки перспектив развития технологий в области физики конденсированного состояния.

7

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ

Цели и задачи физики конденсированного состояния. Определение твердого тела. Кристаллические и аморфные твердые тела, связь с порядком. Электронная конфигурация внешних оболочек атомов. Формирование кристаллической структуры из изолированных атомов.

Раздел 2. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ

Точечные и пространственные группы симметрии. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Решетка Браве. Классификация кристаллов по типу симметрии. Связь симметрии кристаллов с симметрией тензоров, описывающих физические свойства кристаллов. Определение обратной решетки. Свойства векторов обратной решетки. Плоскости решетки и индексы Миллера. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Атомный и структурный факторы рассеяния. Типы связи в твердых телах. Природа сил связи атомов в кристаллической решетке. Ионная связь: энергия связи, постоянная Маделунга. Природа сил отталкивания. Ковалентная связь: обменное взаимодействие, направленность и насыщенность связей. Колебания атомов в решетке твердого тела. Теорема Блоха. Понятие квазиимпульса. Зоны Бриллюэна. Обобщение на трехмерный случай.

Раздел 3. ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ

Свободный электрон, электрон в потенциальной яме, потенциальные барьеры. Кристалл, как цепочка потенциальных ям. Электрон в линейной цепочке потенциальных ям. Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории. Число возможных состояний для электрона в кристалле с энергией E>Ec. Дефекты в кристаллах. Распределение Ферми-Дирака и Больцмана для числа электронов в зависимости от уровня энергии. Энергия Ферми и поверхность Ферми. Эффективная масса. Движение электрона во внешнем магнитном поле. Плотность состояний. Уровни Ландау. Квантовые осцилляционные эффекты. Колебания атомов в кристаллической решетке. Температура Дебая. Акустические и оптические фононы.

Раздел 4. ТЕОРИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Уравнения динамики кристаллической решетки в гармоническом приближении. Классическая теория теплоемкости твердого тела. Квантовомеханическая задача о гармоническом осцилляторе. Квантование энергии колебаний кристаллической решетки. Распределение Планка. Квантовая теория теплоемкости. Модель Эйнштейна и модель Дебая. Электронная теплоемкость.

Раздел 5. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Ангармонизм колебаний атомов решетки. Тепловое расширение. Взаимодействие фононов. Нормальные процессы и процессы переброса. Теплопроводность. Закон Видемана-Франца. Поправки к закону Дюлонга и Пти.

8

Раздел 6. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Комплексная диэлектрическая проницаемость. Связь между поглощением и преломлением света. Соотношение Крамерса-Кронига. Спектры поглощения, отражения, люминесценции. Край собственного поглощения. Плазменная частота. Комбинационное и бриллюэновское рассеяние.

Раздел 7. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ

И ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Методы выращивания объемных монокристаллов из жидкой и газовой фаз. Методы выращивания эпитаксиальных пленок. Эпитаксия из жидкой и газовой фазы, металлоорганическая эпитаксия, молекулярно-лучевая эпитаксия. Методы определения структурного совершенства и химического состава объемных кристаллов и пленок. Электронный парамагнитный резонанс. Спектры ЭПР. Время релаксации. Ядерный магнитный резонанс и ядерный квадрупольный резонанс. Методы исследования структуры твердых тел. Рентгеновская дифракция. Дифракция электронов. Дифракция нейтронов. Методы исследования поверхности твердых тел. Электронная микроскопия. Ожеспектроскопия. Дифракция электронов. Сканирующая туннельная микроскопия. Атомно-силовая микроскопия. Мессбауэровская спектроскопия твердых тел. Влияние локального окружения на мессбауэровские спектры.

Раздел 8. ПОЛУПРОВОДНИКИ

Статистика носителей заряда в полупроводниках. Электроны и дырки. Полупроводники с прямой и непрямой щелью. Оптическая и термическая активация. Легирование полупроводников. Доноры и акцепторы. Мелкие и глубокие примеси. Поверхностные состояния и поверхностные зоны. Искривление зон у поверхности. Поверхностная рекомбинация. Эффект поля. Размерное квантование. Двумерные, одномерные и нуль-мерные полупроводниковые структуры. Контра- и ковариантные композиционные сверхрешетки, легированные сверхрешетки. Электрические и гальваномагнитные явления в двумерных структурах. Квантовый эффект Холла. 30. Неупорядоченные среды. Ближний и дальний порядок. Сильно легированные полупроводники. Прыжковая проводимость. Закон Мотта. Щель подвижности.

Раздел 9. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Магнитные свойства веществ. Диамагнетизм и парамагнетизм. Гиромагнитное отношение. Закон Кюри и закон Кюри-Вейсса. Парамагнетизм Паули и диамагнетизм Ландау. Понятие об обменном взаимодействии. Обменный интеграл. Ферромагнетизм. Магнитные домены. Магноны. Антиферромагнетизм.

Раздел 10. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Эффект Мейсснера. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Вихри Абрикосова. Критический ток. Туннельные эффекты в сверхпроводниках. Эффект Джозефсона. Принцип действия СКВИДов. Основные идеи теории Бардина-Купера-Шриффера. Электронные пары. Теория Гинзбурга-Ландау.

9

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСПИРАНТОВ

Методические указания аспирантам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к экзамену.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций. Для успешной работы над лекциями в методических указаниях по организации самостоятельной работы приводятся примерные темы лекций.

1. Цели и задачи физики конденсированного состояния. Формирование кристаллической структуры из изолированных атомов.

10

2.Точечные и пространственные группы симметрии. Базис и кристаллическая структура.

3.Решетка кристаллов. Формирование и основные характеристики.

4.Типы связей в кристаллах. Зоны Бриллюэна.

5.Элементы квантовой механики

6.Понятие энергетической зоны.

7.Уровень Ферми в кристаллах и композитах

8.Квантовые осцилляционные эффекты.

9.Теория теплоемкости твердого тела.

10.Теплопроводность твердых тел

11.Элементы квантовой оптики в твердом теле

12.Физические основы методов исследования структуры и поверхности твердых тел.

13.Собственные и примесные носители в полупроводниках

14.Поверхностные состояния и поверхностные зоны. Эффект поля. Размерное квантование.

15.Двумерные, одномерные и нуль-мерные полупроводниковые структуры. Контра- и ковариантные композиционные сверхрешетки, легированные сверхрешетки.

Электрические и гальваномагнитные явления в двумерных структурах. Прыжковая проводимость. Закон Мотта. Щель подвижности.

16.Магнитные свойства твердых тел. Современные представления.

17.Эффект Мейсснера. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Каждое индивидуальное задание представляет собой набор нескольких задач, относящихся к определенному разделу дисциплины «Физика конденсированного состояния». Цель индивидуального задания – практическое освоение теоретического курса и приобретение навыков решения задач, имеющих как учебный, так и прикладной характер.

Решенные примеры не заменяют учебный и лекционный материал, поэтому перед выполнением задач следует ознакомиться с соответствующими разделами теоретического курса лекций или учебников, которые приведены в рекомендуемом списке литературы.

Индивидуальное задание оформляется в рукописном виде. После решения задач, входящих в задание, листы с решениями брошюруются и снаб-