Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Physics of Solids
Course of study:
2019/2020
Code:
NIMN-1-406-s
Faculty of:
Non-Ferrous Metals
Study level:
First-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Inżynieria Metali Nieżelaznych
Semester:
4
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Responsible teacher:
prof. dr hab. inż. Kąkol Zbigniew (kakol@agh.edu.pl)
Module summary

Kurs przedstawia zwięzły opis podstawowych elementów fizyki ciała stałego w układzie: atomy, wiązania chemiczne, struktura krystaliczna, dynamika sieci, właściwości elektronowe.

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)
Skills: he can
M_U001 Student potrafi wyjaśnić zasadę działania aparatury pomiarowej i wykonać pomiar laboratoryjny IMN1A_U01 Examination
M_U002 Student potrafi opracować wyniki pomiaru oraz napisać sprawozdanie IMN1A_U01 Examination
Knowledge: he knows and understands
M_W001 Student posiada wiedzę o najważniejszych własnościach atomowych ciał stałych: strukturze i dynamice sieci krystalicznej, oraz wynikających właściwościach cieplnych i elektronowych IMN1A_W01 Examination
M_W002 Student posiada wiedzę o teorii pasmowej oraz jej zastosowaniu do opisu metali i półprzewodników IMN1A_W01 Examination
M_W003 Student zna relację między teoretycznym opisem zjawiska i wykonywanym eksperymentem IMN1A_W01 Examination
Number of hours for each form of classes:
Sum (hours)
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
60 30 0 30 0 0 0 0 0 0 0 0
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
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Skills
M_U001 Student potrafi wyjaśnić zasadę działania aparatury pomiarowej i wykonać pomiar laboratoryjny + - + - - - - - - - -
M_U002 Student potrafi opracować wyniki pomiaru oraz napisać sprawozdanie + - + - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Student posiada wiedzę o najważniejszych własnościach atomowych ciał stałych: strukturze i dynamice sieci krystalicznej, oraz wynikających właściwościach cieplnych i elektronowych + - + - - - - - - - -
M_W002 Student posiada wiedzę o teorii pasmowej oraz jej zastosowaniu do opisu metali i półprzewodników + - - - - - - - - - -
M_W003 Student zna relację między teoretycznym opisem zjawiska i wykonywanym eksperymentem + - + - - - - - - - -
Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 117 h
Module ECTS credits 4 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 60 h
Preparation for classes 20 h
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 20 h
Realization of independently performed tasks 10 h
Examination or Final test 2 h
Contact hours 5 h
Module content
Lectures (30h):

1. Wprowadzenie
- Korpuskularny charakter promieniowania
- Model atomu wodoru
- Falowe własności materii, fale materii
2. Elementy mechaniki kwantowe
- Funkcja falowa, Równanie Schroedingera i przykłady rozwiązań, zasada
nieoznaczoności
- Kwantowo-mechaniczny opis atomu wodoru, spin elektronu, zasada Pauliego, atomy
wieloelektronowe
3. Budowa ciał stałych
- Wiązania w ciałach stałych
- (przypomnienie) Sieć przestrzenna, struktura kryształów, komórka elementarna,
płaszczyzny sieci
- Otrzymywanie monokryształów
4. Badanie struktury krystalicznej – dyfrakcja promieni X na kryształach
- Promieniowanie X, widma X
- Dyfrakcja Bragga, opis dyfrakcji Lauego
- Sieć odwrotna
- Dyfrakcja na kryształach w przestrzeni odwrotnej
- Metody mikroskopowe i metody dyfrakcyjne, zastosowanie X do badania składu
(spektroskopia fluorescencji rentgenowskiej XRF, mikrosonda, synchrotron)
5. Własności cieplne ciał stałych – dynamika kryształu
- Drgania cieplne atomów w jednowymiarowej sieci krystalicznej
- Wektor k, strefa Brillouina
- Dynamika rzeczywistego kryształu 3D
- Mody drgań, fonony
- Ciepło właściwe – model klasyczny, reguła Dulonda-Petita
- Ciepło właściwe kryształu, model Einsteina, model Debye’a
- Przewodnictwo cieplne sieci
- Rozszerzalność cieplna sieci
6. Własności elektronowe metali
- Model klasyczny – teoria Drudego
- Gaz elektronów swobodnych
- Prawo Ohma, przewodnictwo elektryczne, efekt Halla
- Własności optyczne metali, prawo Wiedemana-Franza
7. Własności elektronowe metali – opis kwantowo-mechaniczny
- Przybliżenie 1-elektronowe
- Poziomy energetyczne w ciałach stałych, pasma energetyczne
- Model elektronów swobodnych, energia Fermiego, prędkość Fermiego
- Gęstość stanów elektronowych
- Rozkład Fermiego-Diraca, zapełnianie stanów dla T>0
- Ciepło właściwe i przewodnictwo cieplne elektronów swobodnych
- Potencjał periodyczny, funkcje Blocha, strefa Brillouina
- Obliczanie struktury pasmowej, struktura pasmowa metali – przykłady
- Zapełnianie stanów/pasm przez elektrony (metale, izolatory, półprzewodniki)
- Badanie struktury elektronowej kryształów – ARPES (angle-resolved photoemission)
8. Fizyka półprzewodników
- Przegląd półprzewodników: półprzewodniki samoistne i domieszkowane
- Struktura pasmowa półprzewodników, obsadzanie pasm, zależność ruchliwości i
oporu od temperatury
- Zastosowania półprzewodników: złącze p-n, fotodioda, laser, termistor, tranzystor
9. Nadprzewodnictwo
- Materiały nadprzewodzące, zastosowania
- Dlaczego nadprzewodnik jest nadprzewodzący – zarys teorii
10. Nowe materiały we współczesnej technice (wybrane zagadnienia)
- Cienkie warstwy, metody otrzymywania, zastosowania
- Nanomateriały, zastosowania
- Izolatory topologiczne

Laboratory classes (30h):

Ćwiczenia prowadzone są w pracowni Laboratorium Fizyki Ciała Stałego WFiIS. Studenci pracują w zespołach dwu lub trzyosobowych (maksymalnie 15 studentów w grupie). Każdy ze studentów jest niezależnie oceniany z przygotowania teoretycznego do zajęć oraz zaangażowania w przeprowadzenie pomiarów. Każdy zespół przygotowuje jedno (wspólne) sprawozdanie, które jest następnie oceniane przez prowadzącego. Każdy z członków zespołu referuje niezależnie sposób przygotowania sprawozdania. Przy wystawianiu oceny bierze się pod uwagę przygotowanie teoretyczne do ćwiczeń, zaangażowanie w ich wykonanie oraz jakość sprawozdań.

Program ćwiczeń
Zajęcia wprowadzające (2 godz.)
Wykonanie sześciu ćwiczeń obowiązkowych (5 × 5 godzin):
1. Spektroskopia fluorescencji rentgenowskiej;
2. Wyznaczanie ciepła właściwego;
3. Przewodnictwo cieplne;
4. Badanie oporu w funkcji temperatury (metale, półprzewodniki);
5. Przerwa energetyczna w pomiarach optycznych;
6. Charakterystyka elektromagnesu i efekt Halla.
Zajęcia zaliczeniowe przeznaczone na dokończenie ćwiczeń oraz ocenę sprawozdań zaległych i wystawienie oceny końcowej (3 godz.)

Additional information
Teaching methods and techniques:
  • Lectures: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Laboratory classes: W trakcie zajęć laboratoryjnych studenci samodzielnie rozwiązują zadany problem praktyczny, dobierając odpowiednie narzędzia. Prowadzący stymuluje grupę do refleksji nad problemem, tak by otrzymane wyniki miały wysoką wartość merytoryczną.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Zasady zaliczania ćwiczeń laboratoryjnych: podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest koniec zajęć w danym semestrze. Student może dwukrotnie przystąpić do poprawkowego zaliczania.
Zaliczenie laboratorium wymaga zaliczenia wszystkich ćwiczeń podanych w treści modułu i kolokwium końcowego. Warunkiem uzyskania zaliczenia z pojedynczego ćwiczenia jest: uzyskanie pozytywnej oceny z przygotowania teoretycznego, poprawnie wykonane pomiary, zaliczone sprawozdanie z opracowaniem wyników.

Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest uzyskanie zaliczenia z laboratorium.

Participation rules in classes:
  • Lectures:
    – Attendance is mandatory: No
    – Participation rules in classes: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Laboratory classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci wykonują ćwiczenia laboratoryjne zgodnie z materiałami udostępnionymi przez prowadzącego. Student jest zobowiązany do przygotowania się w przedmiocie wykonywanego ćwiczenia, co może zostać zweryfikowane kolokwium w formie ustnej lub pisemnej. Zaliczenie zajęć odbywa się na podstawie zaprezentowania rozwiązania postawionego problemu.
Method of calculating the final grade:

Oceny z ćwiczeń laboratoryjnych oraz z egzaminu obliczane są następująco: procent uzyskanych punktów przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.

Ocena końcowa (OK) jest średnią arytmetyczną z ocen z egzaminu (średniej z ocen ze
wszystkich terminów egzaminów) i laboratorium.
(wynik egzaminu jest decydujący w przypadku koniecznego zaokrąglenia oceny).

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na ćwiczenia laboratoryjnych: Pod koniec semestru przewidziany jest dodatkowy termin ćwiczeń (ogłaszany wcześniej przez prowadzących), w którym można wykonać pomiary, których student z przyczyn losowych nie mógł wykonać w pierwotnym terminie. Studenci mogą wówczas odrabiać ćwiczenia po uprzednim uzyskaniu zgody prowadzącego zajęcia w jego grupie oraz odpowiedzi z części teoretycznej, potwierdzonej wpisem do protokołu.

Prerequisites and additional requirements:

• Znajomość rachunku różniczkowego i całkowego w zakresie podstawowym
• Znajomość fizyki ogólnej
• Znajomość podstaw opracowywania danych

Recommended literature and teaching resources:

• Kittel C., Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN Warszawa 1999
• Ibath H., Lüth H., Fizyka ciała stałego, PWN Warszawa 1996
opracowania internetowego
• Zięba A. & Kosturek R., Teoria pasmowa, opracowanie internetowe na portalu OEN AGH
• K. Krop (red.), Fizyka Ciała Stałego. Laboratorium, Skrypt Uczelniany AGH nr 900.
• A. Oleś, Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT Warszawa 1998

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

Publikacje naukowe prowadzącego wykłady:
https://www.researchgate.net/profile/Zbigniew_Kakol
https://orcid.org/0000-0002-5978-8627

Additional information:

None