Course syllabus

Kurs-PM

FFY012 Fasta tillståndets fysik lp3 VT20 (7,5 hp)

Kursen ges av institutionen för Fysik

 

Kontaktuppgifter

Examinator:

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

 

Föreläsare:

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

Elsebeth Schröder, Institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), elsebeth.schroder@chalmers.se

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

 

Räkneövningsledare:

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

Klara Insulander Björk, Institutionen för Fysik, klaraib@chalmers.se

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

 

Laborationshandledare:

F3, Strukturbestämning med rönten (lokal: F7311, våning 7 i forskarhuset, möt upp vid sidan som gränsar till Origo):

Eric Andersson, Institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), ericand@chalmers.se

Filippa Lundin, Institutionen för Fysik, flundin@chalmers.se

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

 

F5, Halvledare (lokal: F7308, våning 7 i forskarhuset, möt upp vid sidan som gränsar till Origo):

Emil Eriksson, Institutionen för Fysik, emil.eriksson@chalmers.se

Johan Eriksson, Institutionen för Fysik, johan.eriksson@chalmers.se

Christopher Tiburski, Institutionen för Fysik, tiburski@chalmers.se

Martí Gutierrez Latorre, Institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), marti.gutierrez@chalmers.se

 

F9, Elektronmikroskopi (lokal: 4301, våning 4 i forskarhuset, möt upp vid sidan som gränsar till Origo):

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

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

 

F12, Sveptunnelmikroskopi (lokal: F7105B, våning 7 i forskarhuset (ET-labbet), möt upp vid sidan som gränsar till Origo):

Siamak Shoja, Institutionen för Fysik, siamak.shoja@chalmers.se

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

David Albinsson, Institutionen för Fysik, aldavid@chalmers.se

Hampus Renberg Nilsson, Institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), hampus.renberg.nilsson@chalmers.se

 

Kursens syfte

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

 

Schema

TimeEdit

 

Kurslitteratur

Title: Solid State Physics- An introduction

Author: Philip Hofmann

Edition: 2

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, (8th edition, John Wiley and Sons, 2005). Läsanvisningar tillhandhålls i mappen med dokument.

 

Kursens upplägg

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

 

Inledningsvis beskrivs hur atomer är ordnade i rummet i kristallina ämnen och hur ordningen kan bestämmas via diffraktion av infallande strålning (röntgenljus, elektroner, neutroner) eller via direkt avbildande metoder.  Vid beskrivningen av diffraktion introduceras det reciproka gittret, som är ett väsentligt begrepp för förståelsen av de flesta av kristallina ämnens egenskaper. 

 

I följande avsnitt behandlas vibrationsvågor och termiska egenskaper som härrör från dessa (värmekapacitivitet, värmeledningsförmåga). Därefter behandlas defekter i den atomära ordningen och deras betydelse för olika egenskaper. 

 

Kursen fortsätter med att behandla elektroniska egenskaper utgående först från frielektronmodellen (ledningsförmåga, optisk reflektivitet, plasmasvängningar, Landau-nivåer, 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 innehåller också fyra obligatoriska laborationer.

 

Förändringar sedan förra kurstillfället

Baserat på återkopplingen angående lågtemperaturlaborationen har vi bytt ut den mot en laboration angående halvledare.

Antalet laborationsgrupper är baserat på de studenter som är registrerade i Canvas. Bokningen sker via Canvas.

Vi har i år valt att endast ha en kursbok istället för två. Den andra boken listas som fördjupningslitteratur.

Vi har undvikit att boka FB-salen som föreläsningassal eftersom den var för liten för kursen.

Översynen över övningsuppgifterna pågår.

 

Lärandemål

Målet är att ge förmåga att:

 

  • Beskriva matematiskt kristallstrukturer i termer av ett Bravaisgitter med en bas; enhetscell, primitiv cell. Kristallplan, Millerindex.   
  • Redogöra för de mest grundläggande modellerna för kristallbindning; kovalent bindning, jonbindning, metallbindning, vätebindning.   
  • Beskriva och beräkna hur kristallstrukturer kan bestämmas genom diffraktion, samt känna till skillnaden mellan röntgen-, neutron-, och elektron-diffraktion. Redogöra för produktion av rötgenljus och neutroner, och funktionen av synkrotronljusanläggninar och neutronkällor. 
  • Beräkna det reciproka gittret till en kristall, strukturfaktorn for olika typer av strukturer, och redogöra för begreppet 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, reflektivitetet, brytningsindex, samt plasma oscillationer. 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. 
  • Hallefekten 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. 
  • Redogöra för elektroners egentillstånd i ett magnetfält i termer av Landaunivåer, samt hur oscillationer i fysikaliska egenskaper kan uppstå som funktion av 1/B.
  • Ge en elementär beskrivning av materials magnetiska egenskaper: Diamagnetism och (Curie) paramagnetism i isolatorer, Pauli paramagnetism och Landau diamagnetism 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 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 20 poäng. En totalsumma av 10 poäng upp till 14 ger godkänt (dvs betyg 3), 14 och upp till 17 poäng ger betyg 4 och 17 poäng och mer ger betyg 5. Hjälpmedel på tentamen är Beta, Physics Handbook, typgodkänd räknare och ett egenhändigt skapat A4-ark (text på båda sidor).

 

Kursen har 7 Open TA-uppgifter som ger 0.15 bonuspoäng per uppgift.

 

Duggan äger rum den 13e februari, 08:30-10:30. Duggan ger maximalt 10 poäng (40 %, dvs maximalt 4 poäng, i bonus på skriftlig tentamen). Hjälpmedel på duggan är Beta, Physics Handbook och typgodkänd räknare

 

Ordinarie tentamen äger rum den 19e mars, 2020, med start 14:00 på Johanneberg Campus.  Omtentamen sker den 10e juni, 2020, och 20e augusti, 2020, båda med start 14:00 på Johanneberg Campus. Vid eventuella ändringar i tentamens och omtentamens tider eller dagar gäller de tider och dagar som står i kursplanen i Studieportalen.

 

Länk till kursplanen i Studieportalen Studieplan

Course summary:

Date Details Due