Course syllabus

Kurs-PM

FFY012 / FYP330 FFY012 / FYP330 Fasta tillståndets fysik lp3 VT23 (7,5 hp)

Kursen ges av institutionen för Fysik

 

Schema

TimeEdit

 

 

Kontaktuppgifter

Examinator:

Eva Olsson, Institutionen för Fysik, eva.olsson@chalmers.se  

 

Föreläsare:

Föreläsningarna ges på plats. Information om föreläsningssalarna finns i TimeEdit.

 

Eva Olsson, Institutionen för Fysik, eva.olsson@chalmers.se

Mattias Thuvander, Institutionen för Fysik, mattias.thuvander@chalmers.se

Elsebeth Schröder, Institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap, elsebeth.schroder@chalmers.se

 

Räkneövningsledare:

Räkneövningarna ges på plats. Information om räkneövningssalarna finns i TimeEdit.

 

Esmée Berger, Institutionen för Fysik, esmee.berger@chalmers.se

Gustav Persson, Institutionen för Fysik, guspe@chalmers.se

Josef Rizell, Institutionen för Fysik, rizell@chalmers.se

 

Laborationshandledare:

F3, Strukturbestämning med röntgen

Linnea Björn, Institutionen för Fysik, linnea.bjorn@chalmers.se

Martina Olsson,  Institutionen för Fysik, martina.olsson@chalmers.se

 

F5, Halvledare

Under laborationen kommer Ni att arbeta med ett dokument som Ni hittar på följande länk:

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1H8qYsZd9XXsijmSn5D6O9ZHrbaVnydJcGj-BSvplgGU/edit?usp=sharing

Tag med egen dator till laborationen.

Mahdi Shanei, Institutionen för Fysik, mahdi.shanei@chalmers.se

 

F9, Elektronmikroskopi

Carl Andersson, Institutionen för Fysik, carlake.andersson@chalmers.se

Jonatan Holmér, Institutionen för Fysik, holmerj@chalmers.se

Gustav Persson, Institutionen för Fysik, guspe@chalmers.se

Rebecka Rilemark, Institutionen för Fysik, rebecka.rilemark@chalmers.se

 

F12, Sveptunnelmikroskopi, Inlämningsuppgift

Maria Brollo, Institutionen för Fysik, brollo@chalmers.se

 

Kursnämndsrepresentanter:

Tf

Elsa Hansen, hanelsa@student.chalmers.se

Bjarne Sihlbom, sihlbom@student.chalmers.se

 

Kf

Julia Raudberget, juliarau@student.chalmers.se

Signe Sjölin, signesj@student.chalmers.se

 

GU 

Linnea Landstedt, guslanlii@student.gu.se

Sara Tjäder, gussartj@student.gu.se

 

Kurslitteratur

Title: Solid State Physics- An introduction

Author: Philip Hofmann

Edition: 2 eller 3

ISBN: 9783527412822

Boken är beställd till Cremona.

Ett dokument med läsanvisningar tillhandahålls i mappen med dokument.

Övningsuppgifter tillhandhålls i mappen med dokument.

Lab PM tillhandhålls i mappen med dokument.

 

Fördjupningslitteratur:

Introduction to Solid State Physics, C. Kittel, (8^th edition, John Wiley and Sons, 2005). Läsanvisningar tillhandhålls i mappen med dokument.

 

Kursens syfte

Fasta tillståndets fysik är en central del av modern fysik och kursen intar en given plats i tekniskfysik-utbildningen. Inom fasta tillståndets fysik bedrivs en omfattande forskningsverksamhet vid Chalmers och många kurser erbjuds inom området. Denna kurs är generellt förkunskapsgrundande för de mer avancerade kurserna.

 

Kursens upplägg

Kursens ger en översikt av fasta ämnens struktur, deras fysikaliska egenskaper, de experimentella metoder som utnyttjas för att kartlägga dessa samt hur egenskaperna förklaras utgående från teoretiska modeller på en mikroskopisk nivå. 

Inledningsvis beskriver vi hur atomer är ordnade i fasta material. Vi förklarar hur vi beskriver kristallina ämnen och hur ordningen kan bestämmas via diffraktion av infallande strålning (elektroner, neutroner, röntgenljus) eller via direkt avbildande metoder.  Vid beskrivningen av diffraktion introduceras det reciproka gittret. Det är ett väsentligt begrepp för förståelsen och beskrivning av kristallina ämnens egenskaper. 

Vi beskriver också de vanligaste typerna av defekter i den atomära ordningen och deras betydelse för olika egenskaper. 

I följande avsnitt behandlas vibrationsvågor och de termiska egenskaper som härrör från dem (värmekapacitivitet, värmeledningsförmåga).

Kursen fortsätter med att behandla elektroniska egenskaper utgående först från frielektronmodellen (ledningsförmåga, optisk reflektivitet, plasmasvängningar, Hall-spänning) och därefter utgående från en beskrivning av en elektron i en periodisk potential (energigap, rörelse i fält, optiska excitationer, effektiv massa, hål). En viktig tillämpning är på intrinsiska och dopade halvledare. 

En översikt av fasta ämnens magnetiska egenskaper ges (diamagnetism, paramagnetism, ferromagnetism, spinnvågor, domäner). Slutligen ges en översiktlig introduktion till supraledning.

Kursen omfattar föreläsningar, räkneövningar, 4 obligatoriska laborationer, dugga och skriftlig tenta. Kursen avslutas med den skriftliga tentamen som består av numeriska problem samt beskrivande uppgifter. I kursen ingår en frivillig dugga som ger bonuspoäng till tentamen. Kursen tillhandahåller Open TA-uppgifter, ett övningshäfte, tidigare duggor och tidigare tentor. Prioritetsordningen för uppgifter som räknas av studenterna på egen hand är OpenTA, tidigare duggor, tidigare tentor och övningsuppgifter som inte har gåtts igenom på räkneövningar.

Ett diskussionsforum finns i Piazza. Länken är https://piazza.com/chalmers.se/spring2023/ffy012fyp330.

 

Lärandemål

Målet är att ge förmåga att:

• Matematiskt beskriva kristallstrukturer i termer av ett Bravaisgitter med en bas.
• Definiera en enhetscell, en primitiv cell och Wigner-Seitz cellen.
• Definiera kristallplan och deras Millerindex.   
• Redogöra för de mest vanliga typerna av kristalldefekter.
• Beskriva och beräkna hur kristallstrukturer kan bestämmas genom diffraktion.
• Redogöra för skillnaden mellan röntgen-, neutron-, och elektron-diffraktion.
• Beräkna det reciproka gittret till en kristall.
• Beräkna strukturfaktorn for olika typer av strukturer.
• Beskriva Brillouinzoner.
• Beräkna vibrationsmoder i kristaller i den enkla fjäder-boll-modellen, att dessa är kvantiserade (fononer) och hur de bidrar till värmekapacitet och värmeledning. Kunna förklara skillnaden mellan akustiska och optiska gittervibrationer.
• Beskriva och räkna på grundläggande aspekter hos den fria elektrongasen som ges av Fermi-Dirac-fördelningen för en partikel i en låda eller med periodiska randvillkor. 
• Redogöra för begreppen Fermisfär, Fermiyta, Fermivågtal, Fermienergi, Fermitemperatur. 
• Beräkna tillståndstätheten beroende på energispektrum och dimensionalitet.  
• Beskriva effekten av elektromagnetiska fält genom Drude-modellen för den komplexa konduktiviteten. Hur denna är relaterad till DC-konduktivitet, reflektivitet, brytningsindex, samt plasmaoscillationer. Kunna ge en enkel förklaring till metallers olika färger. 
• Beskriva den grundläggande skillnaden mellan metaller och halvledare/isolatorer med hjälp av kristallers bandstruktur. 
• Förklara innebörden av Blochs teorem för elektroner i en periodisk potential, samt begreppet gittervågtal. 
• Härleda bandstrukturen i en svag periodisk potential utgående från den tomma gittermodellen, samt med hjälp av tight-binding modellen för enkla gitter.  
• Redogöra för och använda rörelseekvationen för en Bloch-elektron och hur denna är relaterad till begreppet effektiv massa. 
• Redogöra för den grundläggande beskrivning av en halvledare, med direkt eller indirekt bandgap, intrinsisk eller dopad. Lednings och valensband, samt beskrivningen av elektroner i valensbandet som hål. Effektiv massa för banden, mobilitetsbegreppet, samt det exponentiella temperaturberoendet hos konduktiviteten. 
• Redogöra för hur man beräknar kemisk potential och elektron/hål täthet för en intrinsisk eller dopad halvledare. 
• Halleffekten och hur denna är relaterad till typen av laddningsbärare. 
• Beskriva hur Fermiytan är relaterad till bandstrukturen, och kvalitativt härleda Fermiytan för en svag periodisk potential. 
• Ge en elementär beskrivning av materials magnetiska egenskaper: Diamagnetism och (Curie) paramagnetism i isolatorer och Pauli paramagnetism i metaller.
• Ferromagnetism som en effekt av elektron-elektron växelverkan, och medelfältsbeskrivning av denna. Magnoner/spinnvågor som excitationer i ett magnetiskt ordnat tillstånd. 
• Ge en elementär beskrivning av en supraledare som ett makroskopiskt kvantmekaniskt tillstånd. Beskriva Meissner-effekten, samt magnetisk fluxkvantisering i en supraledande ring.   

 

Examination

Kursen omfattar föreläsningar, räkneövningar, fyra laborationer, Open TA-uppgifter, en dugga och en skriftlig tentamen. Föreläsningarna belyser de viktigaste aspekterna av fasta tillståndets fysik och omfattar exempel på hur kunskapen tillämpas i olika sammanhang. Räkneövningarna ger ytterligare exempel. De fyra laborationerna ger praktisk erfarenhet av analysmetoder för bestämning av materialstruktur och egenskaper. Open TA-uppgifterna stöttar arbetet med en kontinuerlig inlärning under kursen och duggan ger en avstämning ungefär halvvägs genom kursen. Uppgifterna på duggan är representativa för uppgifterna rörande den första hälften av kursen på den skriftliga tentamen.

Laborationerna och den skriftliga tentamen är obligatoriska moment i kursen. Slutbetyget bestäms av totalpoäng (summan poäng på tentamen och bonuspoäng från Open TA-uppgifterna och duggan).

Tentamen ger maximalt 100 poäng. En totalsumma av 50 poäng upp till 70 ger godkänt (dvs betyg 3), 70 och upp till 85 poäng ger betyg 4 och 85 poäng och mer ger betyg 5.

Kursen har 6 Open TA-uppgifter som ger 1 bonuspoäng per uppgift. Open TA-uppgifterna kan maximalt ge 6 bonuspoäng på tentamen.

Duggan äger rum den 8e februari, kl. 13:00-15:00, i SB multisal Duggan ger maximalt 50 poäng. Bonus på skriftlig tentamen från duggan är 40 % av poängen på duggan, dvs maximalt 20 poäng. Anmälan till Duggan sker i Canvas under fliken People och i gruppen Dugga. Deadline för anmälan är 18e januari, 2023. Tillåtna hjälpmedel på duggan är Beta, Physics Handbook, penna, sudd, passare, linjal, Chalmersgodkänd räknare i fickformat utan inprogrammerad text/ekvationer relevant för duggan och ett egenproducerat handskrivet A4 (dubbelsidigt) med valfritt innehåll.

De som skall ha förlängd tid på dugga och tentamina skall anmäla detta snarast och inte senare än två veckor innan dugga- och tentamenstillfälle via e-mail till Eva Olsson, eva.olsson@chalmers.se.

Ordinarie tentamen äger rum den 16e mars, 2023, med start 14:00.  Omtentamen sker den 9e juni, 2023, och 17e augusti, 2023, båda med start 14:00. Tentan är fyra timmar lång. Vid eventuella ändringar i tentamens och omtentamens tider eller dagar gäller de tider och dagar som står i kursplanen i Studieportalen. Tillåtna hjälpmedel på tentamen är Beta, Physics Handbook, penna, sudd, passare, linjal, Chalmersgodkänd räknare i fickformat utan inprogrammerad text/ekvationer relevant för duggan och ett egenproducerat handskrivet A4 (dubbelsidigt) med valfritt innehåll. 

Länk till kursplanen i Studieportalen Studieplan .