Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Struktura elektronowa fazy skondensowanej
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
JMNB-1-604-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Mikro- i nanotechnologie w biofizyce
Semestr:
6
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Prowadzący moduł:
prof. dr hab. inż. Toboła Janusz (tobola@fis.agh.edu.pl)
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

Omawiane są własności elektronowe, czyli własności materii skondensowanej, które można zrozumieć jako wynik istnienia elektronów i ich oddziaływania ze strukturą atomową.

Opis efektów uczenia się dla modułu zajęć
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Powiązania z KEU Sposób weryfikacji i oceny efektów uczenia się osiągniętych przez studenta w ramach poszczególnych form zajęć i dla całego modułu zajęć
Wiedza: zna i rozumie
M_W001 Student posiada wiedzę o zastosowaniu tych modeli do zrozumienia własności fizycznych (np. magnetyzm, nadprzewodnictwo, termoelektryczność) metali i półprzewodników oraz znaczenie tych własności dla zastosowań tego typu materiałów. MNB1A_W02, MNB1A_W01, MNB1A_W06 Egzamin
M_W002 Student posiada wiedzę o modelach teoretycznych, prostych (elektronów swobodnych) oraz złożonych (funkcjonału gęstości elektronowego) opisujących własności elektronowe ciała stałego. MNB1A_W03, MNB1A_W02, MNB1A_W01 Egzamin
Umiejętności: potrafi
M_U001 Student potrafi prowadzić obliczenia związane z tematyką przedmiotu MNB1A_U01, MNB1A_U05 Wykonanie ćwiczeń,
Udział w dyskusji,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
Kompetencje społeczne: jest gotów do
M_K001 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, i potrafi dobrze sformułować swoje argumenty MNB1A_K03, MNB1A_K05, MNB1A_K01 Udział w dyskusji,
Aktywność na zajęciach
Liczba godzin zajęć w ramach poszczególnych form zajęć:
SUMA (godz.)
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
45 30 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Matryca kierunkowych efektów uczenia się w odniesieniu do form zajęć i sposobu zaliczenia, które pozwalają na ich uzyskanie
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Forma zajęć dydaktycznych
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Wiedza
M_W001 Student posiada wiedzę o zastosowaniu tych modeli do zrozumienia własności fizycznych (np. magnetyzm, nadprzewodnictwo, termoelektryczność) metali i półprzewodników oraz znaczenie tych własności dla zastosowań tego typu materiałów. + - - - - - - - - - -
M_W002 Student posiada wiedzę o modelach teoretycznych, prostych (elektronów swobodnych) oraz złożonych (funkcjonału gęstości elektronowego) opisujących własności elektronowe ciała stałego. + - - - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student potrafi prowadzić obliczenia związane z tematyką przedmiotu - + - - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, i potrafi dobrze sformułować swoje argumenty - + - - - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 107 godz
Punkty ECTS za moduł 4 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 45 godz
Przygotowanie do zajęć 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (30h):

Tematem przedmiotu są szeroko rozumiane własności elektronowe materii skondensowanej (przede wszystkim kryształów), czyli te własności materiałów (np. przewodnictwo elektryczne i cieplne, magnetyzm, nadprzewodnictwo) oraz wielkości fizyczne je opisujące, które można zrozumieć jako wynik
istnienia elektronów “wędrownych” i ich oddziaływania ze strukturą atomów (jąder oraz pozostałych elektronów).

Tematy wykładów

1. Klasyczny i kwantowy model elektronów swobodnych (2 h).

2. Elektrony w potencjale periodycznym i sieć odwrotna (2 h).

3. Metale, półprzewodniki, półmetale i izolatory w świetle teorii pasmowej (2 h).

4. Metody obliczeń struktury elektronowej (2 h).

5. Przewodnictwo elektryczne metali czystych i stopów nieuporządkowanych (2 h).

6. Własności optyczne i termiczne metali (2 h).

7. Magnetyzm elektronów wędrownych (2 h).

8. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane (2 h).

9. Konwersja energii w materii skondensowanej (efekt termoelektryczny i magnetokaloryczny) (2 h).

10. Złącze p-n, diody oraz tranzystory (2 h).

11. Granice modelu pasmowego oraz efekty wielociałowe i relatywistyczne (2 h).

12. Fizyka powierzchni i międzypowierzchni (2 h).

13. Nadprzewodnictwo kryształów (2 h).

14. Oddziaływania nadsubtelne (2 h).

15. Zastosowanie modelu swobodnych fermionów w astrofizyce (2 h) – opcjonalnie.

Ćwiczenia audytoryjne (15h):

1. Modele gazu elektronowego (3 godz.)
Efekty kształcenia:
- student potrafi obliczyć koncentrację elektronów dla danej struktury krystalicznej
- student potrafi wykonać obliczenia związane z rozwiązaniem kwantowego modelu elektronów swobodnych,
- student potrafi uzyskać pasma energetyczne w ramach modelu ciasnego wiązania,

2. Teoria pasmowa kryształów (3 godz.)
Efekty kształcenia:
- student potrafi zinterpretować wyniki numerycznych obliczeń struktury pasmowej,
- student potrafi określić możliwość/konieczność stanu metalu/niemetalu/izolatora dla danej struktury,
- student potrafi rozróżnić strukturę elektronową ferro- i antyferro- i ferrimagnetyka.

3. Własności elektronowe metali (3 godz.)
Efekty kształcenia:
- student potrafi zinterpretować wyniki spektroskopii fotoemisji,
- student potrafi obliczyć parametry mikroskopowe (czas relaksacji, droga swobodna) na podstawie parametrów transportowych,
- student potrafi powiązać kształt powierzchni Fermiego prostych metali z wynikami efektu Halla.

4. Własności elektronowe i transportowe półprzewodników (3 godz.)
Efekty kształcenia:
- student potrafi oszacować koncentrację elektronów i dziur w półprzewodniku samoistnym i domieszkowym,
- student potrafi określić pierwiastki domieszkowe potrzebne do uzyskania określonych funkcji (typ n/p, szerokość przerwy),
- student potrafi zinterpretować wyniki pomiarów określających parametry półprzewodników.

5. Własności nadprzewodzące (3 godz.)
- student potrafi określić istotne wielkości elektronowe związane ze stanem nadprzewodzącym,
- student potrafi powiązać wyniki eksperymentalne z parametrami teorii BCS.

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Ćwiczenia audytoryjne: Podczas zajęć audytoryjnych studenci na tablicy rozwiązują zadane wcześniej problemy. Prowadzący na bieżąco dokonuje stosowanych wyjaśnień i moderuje dyskusję z grupą nad danym problemem.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Zaliczenie ćwiczeń audytoryjnych na podstawie ocen za odpowiedzi ustne oraz kolokwia. Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń audytoryjnych.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Nie
    – Zasady udziału w zajęciach: 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.
  • Ćwiczenia audytoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci przystępując do ćwiczeń są zobowiązani do przygotowania się w zakresie wskazanym każdorazowo przez prowadzącego (np. w formie zestawów zadań). Ocena pracy studenta może bazować na wypowiedziach ustnych lub pisemnych w formie kolokwium, co zgodnie z regulaminem studiów AGH przekłada się na ocenę końcową z tej formy zajęć.
Sposób obliczania oceny końcowej:

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

Ocena końcowa (OK) jest średnią arytmetyczną ocen z egzaminu OE i z ćwiczeń rachunkowych OC:
OK = (OE + OC)/2

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

W uzasadnionych przypadkach tryb i forma nadrobienia materiału z zajęć jest uzgadniana indywidualnie z prowadzącym.

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :
  • znajomość rachunku różniczkowego i całkowego w zakresie podstawowym
  • znajomość podstaw fizyki kwantowej
  • znajomość podstaw fizyki ciała stałego
Zalecana literatura i pomoce naukowe:
  • Ascroft N. W., Mermin N. D., Fizyka ciała stałego, PWN Warszawa 1986.
  • Blatt F. J., Fizyka zjawisk elektronowych w metalach i półprzewodnikach, PWN Warszawa 1973.
  • Ibath H., Lüth H., Fizyka ciała stałego, PWN 1996.
  • Kittel, C., Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN 1999.
  • Tobola J., Notatki do wykładu oraz materiały na stronie www.
  • Zięba A., Kosturek R., opracowanie Teoria Pasmowa (na serwerze OEN AGH).
Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

https://bpp.agh.edu.pl/autor/tobola-janusz-stefan-01554

Informacje dodatkowe:

Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na ćwiczenia audytoryjnych:
Nieobecność na jednych ćwiczeniach zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału. Nieobecność na więcej niż jednych ćwiczeniach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału i jego zaliczenia w formie pisemnej w wyznaczonym przez prowadzącego terminie, lecz nie później niż w ostatnim tygodniu trwania zajęć. Student, który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż dwa ćwiczenia i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości wyrównania zaległości.

Zasady zaliczania ćwiczeń audytoryjnych: podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest koniec zajęć w danym semestrze. Student może dwukrotnie przystąpić do poprawkowego zaliczania.
Student, który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż dwa zajęcia i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne, może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości poprawkowego zaliczania zajęć. Od takiej decyzji prowadzącego zajęcia student może się odwołać do prowadzącego przedmiot (moduł) lub Dziekana.

Warunkiem przystąpienie do egzaminu jest wcześniejsze uzyskanie zaliczenia z ćwiczeń audytoryjnych.

Egzamin przeprowadzany jest zgodnie z Regulaminem Studiów AGH § 16.