Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Electronic structure and bonding in solids: practical approach
Tok studiów:
2018/2019
Kod:
JFCB-3-019-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia III stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie „Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej”
Semestr:
0
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Angielski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Osoba odpowiedzialna:
prof. dr hab. inż. Koleżyński Andrzej (kolezyn@agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
prof. dr hab. inż. Koleżyński Andrzej (kolezyn@agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

The course is intended for graduate students interested in exploring practical aspects of using theoretical methods of modern physics and chemistry for solving common problems in periodic systems.

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W001 Student has basic knowledge of quantum mechanics and the most important approaches to electronic structure calculations in periodic systems. FCB3A_W08 Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_W002 Student knows modern methods and tools used in the analysis of bonding properties in solids. FCB3A_W11, FCB3A_W08 Egzamin
Umiejętności
M_U001 Student can calculate the electronic structure for 3D periodic systems and surfaces as well as the topological properties of total electron density and use the obtained results in the detailed analysis of structural, electronic and bonding properties of a given system. FCB3A_W11 Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Kompetencje społeczne
M_K001 Student is prepared to effectively use chosen methods of computational solid state chemistry as the complementary tool in solving common problems met in materials science FCB3A_W15 Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
M_W001 Student has basic knowledge of quantum mechanics and the most important approaches to electronic structure calculations in periodic systems. + - - - - - - - - - -
M_W002 Student knows modern methods and tools used in the analysis of bonding properties in solids. + - - - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student can calculate the electronic structure for 3D periodic systems and surfaces as well as the topological properties of total electron density and use the obtained results in the detailed analysis of structural, electronic and bonding properties of a given system. - - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student is prepared to effectively use chosen methods of computational solid state chemistry as the complementary tool in solving common problems met in materials science + - - - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:
List of lecture topics

1. Introduction, Quantum Mechanics basics – short overview, what is Density Functional Theory?
2. DFT: Hohenberg-Kohn theorem, Kohn-Sham equations, XC potential approximations – LDA, GGA, meta-GGA.
3. Periodic systems: translational symmetry, planewaves, wave vectors, direct and momentum space, Brillouin zones.
4. Bloch’s function, Brillouin zones and energy bands, bandstructure, Nearly Free Electrons approximation, Tight binding approximation.
5. Bandstructure: ionic, covalent and metallic crystals. Density of states: total and projected.
6. Bandstructure, DOS vs bonding properties: chemist’s interpretation (band characters, occupation, DOS projected onto particular atoms and orbitals, COOP, COHP).
7. Electronic structure of 1D, 2D periodic systems (layers, slabs, wires).
8. Electron density topology – QTAiM, Bond critical points, ∇2rho®, ELF.
9. Electronic structure calculations – standard methods (APW, OPW, KKR, pseudopotentials). Linearization – pros and cons; linearized methods (LMTO, LASW, LAPW, LKKR).
10. Practical calculations 1: DFT calculations for simple solids, nuts and bolts of DFT calculations.
11. Practical calculations 2: DFT calculations for surfaces of solids.
12. Practical calculations 3: DFT calculations of vibrational frequencies
13. Practical calculations 4: equilibrium phase diagrams from ab initio thermodynamics
14. Practical calculations 5: electronic structure and magnetic properties

Ćwiczenia laboratoryjne:
Practical calculations

Every student is supposed to carry out full calculations for a series of model systems by means of WIEN2k package and to analyze in detail the obtained results.

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 150 godz
Punkty ECTS za moduł 6 ECTS
Udział w wykładach 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 30 godz
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 30 godz
Przygotowanie do zajęć 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 30 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

The final grade is calculated as the mean of partial grades obtained during laboratory classes, final project evaluation and final exam score.

Wymagania wstępne i dodatkowe:

The course is intended for graduate students interested in exploring practical aspects of using theoretical methods of modern physics and chemistry for solving common problems in periodic systems.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

Suggested readings

1. C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 8th Edition (2004)
2. S. Altmann, Band Theory of Solids: An Introduction from the Point of View of Symmetry, Oxford University Press (1994).
3. S.R. Elliot, The physics and chemistry of solids, Wiley (1998).
4. M. Springborg, Methods of Electronic-Structure Calculations: From Molecules to Solids, Wiley (2000).
5. P. A, Cox, The Electronic Structure and Chemistry of Solids, Oxford University Press (1987).
6. V. V. Nemoshkalenko, V. N. Antonov, Computational methods in solid state physics, CRC Press (1999).
7. D. S. Sholl, J. Steckel, Density Functional Theory: a practical introduction, John Wiley & Sons, Inc. (2009).
8. R. Dronskowski, Computational Chemistry of Solid State Materials, Wiley-VCH (2005).

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

1. A. Koleżyński, “FP-LAPW study of anhydrous cadmium and silver oxalates: electronic structure and electron density topology”, Phys. B, 405 3650–3657 (2010); DOI: 10.1016/j.physb.2010.05.059.
2. J. Leszczyński, A. Koleżyński, K.T. Wojciechowski, “Electronic and transport properties of polycrystalline Ba8Ga15Ge31 type I clathrate prepared by SPS method”, J. Sol. State Chem., 193 114-121 (2012); DOI: 10.1016/j.jssc.2012.03.067.
3. W. Szczypka, P. Jeleń, A. Koleżyński, “Theoretical studies of bonding properties and vibrational spectra of chosen ladder-like silsesquioxane clusters”, J. Mol. Struct., 1075 599–604 (2014), DOI: 10.1016/j.molstruc.2014.05.037.
4. A. Koleżyński, P. Nieroda, K. T. Wojciechowski, “Li doped Mg2Si p-type thermoelectric material: theoretical and experimental study”, Comp. Mat. Sci., 100 84–88 (2015), DOI: 10.1016/j.commatsci.2014.11.015.
5. A. Mikuła, M. Król, A. Koleżyński, “The influence of the long-range order on the vibrational spectra of structures based on sodalite cage”, Spectrochim. Acta. A, 144 273–280 (2015), DOI: 10.1016/j.saa.2015.02.073.
6. P. Nieroda, A. Kolezynski, M. Oszajca, J. Milczarek, K. T. Wojciechowski, “Structural and Thermoelectric Properties of Polycrystalline p-Type Mg2-xLixSi”, J. Electronic Mat., 45 3418-3426 (2016), DOI: 10.1007/s11664-016-4486-5.
7. A. Koleżyński, W. Szczypka, “First-Principles Study of the Electronic Structure and Bonding Properties of X8C46 and X8B6C40 (X: Li, Na, Mg, Ca) Carbon Clathrates”, J. Electronic Mat., 45 1336–1345 (2016), DOI: 10.1007/s11664-015-4028-6.
8. A. Koleżyński, W. Szczypka, “Towards band gap engineering in skutterudites: The role of X4 rings geometry in CoSb3-RhSb3 system”, J. Alloys Compd., 691 299-307 (2017), DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.08.235
9. E. Drożdż, A. Koleżyński, “The structure, electrical properties and chemical stability of porous Nb-doped SrTiO3 – experimental and theoretical studies”, RSC Advances, 7 28898-28908 (2017), DOI: 10.1039/C7RA04205A.
10. J. Leszczyński, W. Szczypka, Ch. Candolfi, A. Dauscher, B. Lenoir, A. Koleżyński, “HPHT synthesis of highly doped InxCo4Sb12 – experimental and theoretical study”, J. Alloys Compd., DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.08.194.

Informacje dodatkowe:

W razie nieobecności Student może zaliczyć przedmiot zgodnie z obowiązującym regulaminem studiów.