Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Electronic structure and bonding in solids. Part I. Theoretical introduction.
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
ZSDA-3-0037-s
Wydział:
Szkoła Doktorska AGH
Poziom studiów:
Studia III stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Szkoła Doktorska AGH
Semestr:
0
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Angielski
Forma studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Prowadzący moduł:
prof. dr hab. inż. Koleżyński Andrzej (kolezyn@agh.edu.pl)
Dyscypliny:
inżynieria materiałowa, nauki chemiczne, nauki fizyczne
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

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

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 has basic knowledge of quantum mechanics and the most important approaches to electronic structure calculations in periodic systems. SDA3A_W01
M_W002 Student knows modern methods and tools used in the analysis of bonding properties in solids. SDA3A_W01
Umiejętności: potrafi
M_U001 Student can choose appropriate theoretical methods in the calculations of electronic structure for 3D periodic systems and surfaces as well as the topological properties of total electron density. He/She can use the obtained results in the detailed analysis of structural, electronic and bonding properties of a given system. SDA3A_U01
Kompetencje społeczne: jest gotów do
M_K001 Student is prepared to effectively use chosen methods of computational solid state chemistry and physics as the complementary tool in solving common problems met in physics, chemistry and materials science SDA3A_K01
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
30 30 0 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 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 choose appropriate theoretical methods in the calculations of electronic structure for 3D periodic systems and surfaces as well as the topological properties of total electron density. He/She can 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 and physics as the complementary tool in solving common problems met in physics, chemistry and materials science + - - - - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 67 godz
Punkty ECTS za moduł 3 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Dodatkowe godziny kontaktowe 5 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (30h):

Topics covered in this course:
1. Introduction: wave mechanics, wave-particle duality, Heisenberg’s uncertainty principle, Hilbert space, Dirac’s notation, linear Hermitian operators, eigenvalue problem.
2. Quantum Mechanics basics.: postulates of quantum mechanics, Schrodinger representation of QM, the Hydrogen atom, hydrogen-like ions.
3. Quantum Mechanics basics, cont.: multi-electron systems, Born-Oppenheimer approximation, Hartree Fock/SCF method, Post Hartree-Fock methods: Møller-Plesset perturbation theory, Configuration Interaction, Coupled Clusters, Quantum Monte Carlo.
4. Density Functional Theory: Hohenberg-Kohn theorems, Kohn-Sham equations, XC potential approximations.
5. Periodic systems: translational symmetry, planewaves, wave vectors, direct and momentum space, Brillouin zones.
6. Bloch’s function, Brillouin zones and energy bands, bandstructure, Nearly Free Electrons approximation, Tight binding approximation.
7. Bandstructure: ionic, covalent and metallic crystals. Density of states: total and projected.
8. Bandstructure, DOS vs bonding properties: chemist’s interpretation (band characters, occupation, DOS projected onto particular atoms and orbitals, COOP, COHP).
9. Electronic structure of 1D, 2D periodic systems (layers, slabs, wires).
10. Electron density topology – QTAiM, Bond critical points, ∇2ρ®, ELF.
11. Electronic structure calculations – standard methods (APW, OPW, KKR, pseudopotentials). Linearization – pros and cons; linearized methods (LMTO, LASW, LAPW, LKKR).
12. Practical calculations 1: nuts and bolts of DFT calculations.
13. Practical calculations 2: DFT calculations for periodic solids and surfaces, doped semiconducting systems, non-stoichiometric solids, calculations of vibrational frequencies, equilibrium phase diagrams from ab initio thermodynamics, electronic structure and transport properties.

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Lectures in a form of multimedia presentation and animations
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

At least 80% attendance rate is required in order to be allowed to take the final exam.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: The lecture attendance is obligatory
Sposób obliczania oceny końcowej:

The final grade is calculated as a weighted average of partial grades: activity during lectures (20%), attendance (10%) and exam results (70%).

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

This will be discussed at the beginning of the first class.

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

Basic knowledge of calculus, vector analysis, crystallography (point symmetry, space symmetry, translational symmetry, reciprocal lattice).

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:

-