Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Electronic properties of condensed matter
Course of study:
2016/2017
Code:
JBF-3-016-s
Faculty of:
Physics and Applied Computer Science
Study level:
Third-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Biophysics
Semester:
0
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
prof. dr hab. inż. Toboła Janusz (tobola@fis.agh.edu.pl)
Academic teachers:
prof. dr hab. inż. Toboła Janusz (tobola@fis.agh.edu.pl)
dr hab. inż. Wiendlocha Bartłomiej (wiendlocha@fis.agh.edu.pl)
Module summary

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K001 Student potrafi poprawnie wyjaśniać - przy użyciu właściwej terminologii - zagadnienia będące przedmiotem zajęć laboratorium komputerowego. Participation in a discussion
Skills
M_U001 Student potrafi zainstalować dedykowane programy oraz przeprowadzić przy ich użyciu obliczenia związane z tematyką przedmiotu. Report
M_U002 Student potrafi przeprowadzić krytyczną analizę wyników obliczeń, zinterpretować uzyskane wielkości fizyczne, podać ich związek z charakterystyką elektronową badanych materiałów i porównać z danymi eksperymentalnymi. Report
Knowledge
M_W001 Student posiada podstawową wiedzę o możliwościach opisu teoretycznego oraz metodach obliczeń struktury elektronowej i własności fizycznych układów materii skondensowanej. Presentation
M_W002 Student posiada wiedzę o możliwościach obliczeń wybranych właściwości elektronowych materiałów magnetycznych, nadprzewodzących, termoelektrycznych oraz na ogniwa jonowe. Presentation
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K001 Student potrafi poprawnie wyjaśniać - przy użyciu właściwej terminologii - zagadnienia będące przedmiotem zajęć laboratorium komputerowego. - - + - - - - - - - -
Skills
M_U001 Student potrafi zainstalować dedykowane programy oraz przeprowadzić przy ich użyciu obliczenia związane z tematyką przedmiotu. - - + - - - - - - - -
M_U002 Student potrafi przeprowadzić krytyczną analizę wyników obliczeń, zinterpretować uzyskane wielkości fizyczne, podać ich związek z charakterystyką elektronową badanych materiałów i porównać z danymi eksperymentalnymi. - - + - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Student posiada podstawową wiedzę o możliwościach opisu teoretycznego oraz metodach obliczeń struktury elektronowej i własności fizycznych układów materii skondensowanej. + - - - - - - - - - -
M_W002 Student posiada wiedzę o możliwościach obliczeń wybranych właściwości elektronowych materiałów magnetycznych, nadprzewodzących, termoelektrycznych oraz na ogniwa jonowe. + - - - - - - - - - -
Module content
Lectures:
  1. Elementarny opis kryształów i układów topologicznie nieuprządkowanych (2 h)

    Podział substancji fizycznych ze względu na kryterium symetrii. Układy ciał stałych o wysokiej symetrii: kryształy i ich deformacje. Nietypowe stany materii – ciecze kwantowe. Model sztywnych kul Bernala, wielościany Voronoi. Relacja Eulera-Poincare. Problem przestrzennego upakowania i liczby koordynacyjnej. Hipoteza Keplera. Funkcje dystrybucyjne.

  2. Podstawy teorii stanów elektronowych kryształów (2 h).

    Zagadnienie rozpraszania elektronów. Przypomnienie wyników dla modelu elektronów “prawie” swobodnych. Metoda pseudopotencjału i koncepcja obliczeń samouzgodnionych. Energia gazu elektronowego (oddziaływanie wymienno-korelacyjne). Funkcja dielektryczna. Pasma energetyczne i powstawanie przerwy.

  3. Wprowadzenie do obliczeń struktur elektronowych w ramach DFT (2 h).

    Równania Hartree-Focka. Równania Kohna-Shama. Twierdzenia Hohenberga-Kohna. Teoria funkcjonału gęstości elektronowych i spinowych. Przybliżenie lokalnej gęstości elektronowej LDA, GGA i wyjście poza te przybliżenia. Metody obliczeń struktury elektronowej układów ciał stałych (realnych, niżej wymiarowych).

  4. Podstawy teoretyczne rozpraszania elektronów w stopach (2 h)

    Nieporządek chemiczny. Funkcja Greena a gęstość stanów. Przypadek cząstki swobodnej oraz ogólnego potencjału krystalicznego. Przybliżenia VCA (virtual crystal approximation) oraz CPA (coherent potential approximation). Opisy nieporządku w ramach modelu TB (tight binding).

  5. Nieporządek a przejścia metal-izolator (2 h)

    Defekty punktowe (domieszki i wakansje) w półprzewodnikach, ich wpływ na własności transportowe oraz optyczne. Zagadnienie lokalizacji elektronów (przejście Motta oraz Andersona). Półprzewodzące układy nieuporządkowane.

  6. Opis zjawisk transportu elektronów w materii skondensowanej (2 h)

    “Czworobok” termoelektryczny i współczynniki Onsagera. Formuły Zimana i Motta na przewodność elektryczną oraz siłę termoelektryczną dla metali. Równanie transportu Boltzmanna i przybliżenie czasu relaksacji. Wpływ sieci (fononów) na przewodność elektryczną termosiłę. Przewodność cieplna i kłopoty z prawem Wiedemanna-Franza. Własności optyczne i relacje Kramersa-Kroniga. Formuły Drudego.

  7. Struktura elektronowa materiałów na ogniwa jonowe (2 h).

    Charakterystyczne cechy struktury elektronowej wybranych grup tlenków metali przejściowych. Własności magnetyczne i transportowe układów na ogniwa jonowe. Wpływ defektów krystalicznych na charakter elektromotorycznej krzywej ładowania/rozładowania ogniw jonowych. Problem przewodnictwa elektronowego i jonowego.

Laboratory classes:
  1. Wprowadzenie do laboratorium obliczeniowego

    Laboratorium składające się z kilku ćwiczeń polegać będzie na samodzielnym rozwiązaniu na komputerze zagadnień z zakresu wykładu. Każde spotkanie poprzedzone będzie ustną prezentacją rozważanego problemu przez studentów. Podstawowym narzędziem obliczeń będą programy dedykowane, które należy zainstalować i uruchomić na serwerze obliczeniowym. Studenci wykonywać będą przede wszystkim obliczenia struktury elektronowej i wielkości fizycznych dla wybranych materiałów.
    Alternatywnie (dla studentów zainteresowanych taką formą zaliczenia laboratorium), istnieje możliwość napisania własnego oprogramowania do wybranego zagadnienia będącego przedmiotem wykładu. Podczas kolejnych spotkań taka grupa studentów będzie prezentować postępy w realizacji projektu.

  2. Struktura ciał stałych (od kryształu do amorfika)

    Spodziewane efekty zajęć:
    - student potrafi skonstruować komórkę elementarną dla podstawowych sieci krysztalicznych w przestrzeni prostej (Wignera-Seitza) i odwrotnej (strefy Brillouina) dla struktur z bazą jednoatomową i wieloatomową,
    - student potrafi zapisać różne konfiguracje atomowe w komórce przy pojawianiu się nieporządku obsadzeń,
    - student potrafi dokonać podziału płaszczyzny i przestrzeni metodą teselacji Voronoi oraz dualnej teselacji Delaunay dla przypadkowo wygenerowanych pozycji atomów (modelowanie amorfika).

  3. Struktura elektronowa materiałów (od metalu do półprzewodnika, od ferromagnetyka do paramagnetyka i niemagnetyka)

    Struktura elektronowa materiałów (od metalu do półprzewodnika, od ferromagnetyka do paramagnetyka i niemagnetyka) [6 h]
    Spodziewane efekty kształcenia:
    - student potrafi obliczyć strukturę elektronową przykładowego metalu i półprzewodnika dla komórki z bazą jednoatomową (np. Si, Cu, Bi) i wieloatomową (np. GaN, NiAs),
    - student potrafi zanalizować wyniki obliczeń struktury elektronowej z polaryzacją spinową dla układów magnetycznych prostych (Fe, Ni) i złożonych (NiMnSb, CoMnGe, Fe3O4, …)
    - student potrafi zobrazować wyniki obliczeń w postaci funkcji gęstości stanów oraz pasm elektronowych dla materiałów na ogniwa jonowe.

  4. Obliczenia właściwości magnetycznych, termoelektrycznych i nadprzewodzących układów nieuporządkowanych.

    Spodziewane efekty kształcenia:
    - student potrafi rozpoznać topologiczne cechy powierzchni Fermiego i ich związek z policzonymi pasmami elektronowymi dla wybranych układów niemagnetycznych i magnetycznych (np. zagadnienie znikania powierzchni Fermiego wskutek podstawień),
    - student potrafi obliczyć podstawowe parametry struktury elektronowej odpowiedzialne za nadprzewodnictwo (w ramach modelu BCS) dla znanych nadprzewodników (np. Nb-Mo),
    - student potrafi obliczyć czasy życia i prędkości elektronów oraz oszacować ich wpływ na przewodność elektryczną i termosiłę w wybranych domieszkowanych półprzewodnikach.

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 56 h
Module ECTS credits 3 ECTS
Participation in lectures 14 h
Participation in laboratory classes 14 h
Realization of independently performed tasks 14 h
Preparation of a report, presentation, written work, etc. 7 h
Completion of a project 7 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Podstawa oceny przedmiotu będzie średnia ocen zaliczenia laboratorium obliczeniowego (50%) oraz półgodzinnej prezentacji wyników własnych obliczeń struktury elektronowej i własności fizycznych wybranego materiału (50%).

Prerequisites and additional requirements:

Prerequisites and additional requirements not specified

Recommended literature and teaching resources:

1 Cusack N E, The Physics of Structurally Disordered Matter, IOP Publishing Ltd. (1987).
2 Blatt, F J, Fizyka Zjawisk Elektronowych w Metalach i Półprzewodnikach, PWN, Warszawa (1973).
3 Ziman J M, Models of disorder, Cambridge University Press (1979).
4 Zallen R., Fizyka Ciał Amorficznych, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa (1994).
5 Martin, R M, Electronic structure. Basic Theory and Practical Methods, Cambridge University Press (2004).
6 Grimvall G, The Electron-Phonon Interaction in Metals, North-Holland (1981).
7 Grimvall G, Thermophysical Properties of Materials, North-Holland (1999).
8 McKinnon A, Lecture Notes; http://www.cmth.ph.ic.ac.uk/angus/Lectures/
9 Materiały dydaktyczne na stronie http://newton.ftj.agh.edu.pl/~tobola (zostaną udostępnione po rozpoczęciu wykładu).

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

Additional scientific publications not specified

Additional information:

None