Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Własności elektronowe materii skondensowanej
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
ZSDA-3-0114-s
Wydział:
Szkoła Doktorska AGH
Poziom studiów:
Studia III stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Szkoła Doktorska AGH
Semestr:
0
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski i Angielski
Forma studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Prowadzący moduł:
prof. dr hab. inż. Toboła Janusz (tobola@fis.agh.edu.pl)
Dyscypliny:
nauki fizyczne
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

Przedmiotem wykładu są kwantowe metody opisu złożonych układów materii skondensowanej oraz techniki obliczeń ich struktury elektronowej i podstawowych własności fizycznych. Podczas laboratorium komputerowego doktoranci wykonują samodzielne obliczenia na serwerze korzystając z zainstalowanych programów obliczeń ab initio, poznając jednocześnie cechy charakterystyczne struktur elektronowych takich materiałów jak magnetyki, nadprzewodniki, termoelektryki czy na ogniwa jonowe.

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 podstawową wiedzę o możliwościach opisu teoretycznego oraz metodach obliczeń struktury elektronowej i własności fizycznych układów materii skondensowanej. SDA3A_W03, SDA3A_W02, SDA3A_W01 Egzamin
M_W002 Student posiada wiedzę o możliwościach obliczeń wybranych właściwości elektronowych materiałów magnetycznych, nadprzewodzących, termoelektrycznych oraz na ogniwa jonowe. SDA3A_W03, SDA3A_W02, SDA3A_W01 Egzamin
Umiejętności: potrafi
M_U001 Student potrafi przeprowadzić krytyczną analizę wyników obliczeń, zinterpretować uzyskane wielkości fizyczne, podać ich związek z charakterystyką elektronową badanych materiałów i porównać z danymi eksperymentalnymi. SDA3A_U03, SDA3A_U02, SDA3A_U05, SDA3A_U01
M_U002 Student potrafi zainstalować dedykowane programy oraz przeprowadzić przy ich użyciu obliczenia związane z tematyką przedmiotu. SDA3A_U02, SDA3A_U05, SDA3A_U01 Sprawozdanie
Kompetencje społeczne: jest gotów do
M_K001 Student potrafi poprawnie wyjaśniać - przy użyciu właściwej terminologii - zagadnienia będące przedmiotem zajęć laboratorium komputerowego. SDA3A_K01, SDA3A_K03, SDA3A_K02 Odpowiedź ustna
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 15 0 15 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 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. + - + - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student potrafi przeprowadzić krytyczną analizę wyników obliczeń, zinterpretować uzyskane wielkości fizyczne, podać ich związek z charakterystyką elektronową badanych materiałów i porównać z danymi eksperymentalnymi. - - + - - - - - - - -
M_U002 Student potrafi zainstalować dedykowane programy oraz przeprowadzić przy ich użyciu obliczenia związane z tematyką przedmiotu. - - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi poprawnie wyjaśniać - przy użyciu właściwej terminologii - zagadnienia będące przedmiotem zajęć laboratorium komputerowego. - - - - - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 78 godz
Punkty ECTS za moduł 3 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 30 godz
Przygotowanie do zajęć 10 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 10 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 10 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 6 godz
Dodatkowe godziny kontaktowe 2 godz
Inne 10 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (15h):
Program wykładu

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.

Ćwiczenia laboratoryjne (15h):
Tematyka laboratorium

1. Wprowadzenie
Doktoranci wykonywać będą przede wszystkim obliczenia struktury elektronowej i wielkości fizycznych dla wybranych materiałów. Alternatywnie (dla doktorantów) 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:
- umiejętność skonstruowania komórki elementarnej dla podstawowych sieci krysztalicznych w przestrzeni prostej (Wignera-Seitza) i odwrotnej (strefy Brillouina) dla struktur z bazą jednoatomową i wieloatomową,
- umiejętność zapisu różnych konfiguracji atomowych w komórce przy pojawianiu się nieporządku obsadzeń,
- umiejętność dokonania 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).

Spodziewane efekty kształcenia:
- umiejętność obliczenia strukturę elektronową przykładowego metalu i półprzewodnika dla komórki z bazą jednoatomową (np. Si, Cu, Bi) i wieloatomową (np. GaN, NiAs),
- umiejętność zanalizowania wyników obliczeń struktury elektronowej z polaryzacją spinową dla układów magnetycznych prostych (Fe, Ni) i złożonych (NiMnSb, CoMnGe, Fe3O4, …)
- umiejętność zobrazowania wyników obliczeń w postaci funkcji gęstości stanów oraz pasm elektronowych dla wybranych materiałów.

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

Spodziewane efekty kształcenia:
- umiejętność rozpoznania topologicznych cech powierzchni Fermiego i ich związek z policzonymi pasmami elektronowymi dla wybranych układów niemagnetycznych i magnetycznych (np. zagadnienie znikania powierzchni Fermiego wskutek podstawień),
- umiejętność obliczenia podstawowych parametrów struktury elektronowej odpowiedzialne za nadprzewodnictwo (w ramach modelu BCS) dla znanych nadprzewodników (np. Nb-Mo),
- umiejętność obliczenia czasów życia i prędkości elektronów oraz oszacować ich wpływ na przewodność elektryczną i termosiłę w wybranych domieszkowanych półprzewodnikach.

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconym o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Ćwiczenia laboratoryjne: Podstawowym narzędziem obliczeń będą programy dedykowane, które będzie trzeba samodzielnie zainstalować i uruchomić na serwerze obliczeniowym.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

1. Egzamin będzie polegał na prezentacji wybranego zagadnienia z zakresu wykładu oraz dyskusji z prowadzącym. Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest zaliczenie laboratorium komputerowego.

2. Podstawą zaliczenia laboratorium będzie raport z obliczeń struktury elektronowej i własności fizycznych wybranych układów krystalicznych oraz krótka prezentacja na forum grupy wyników własnych obliczeń.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Nie
    – Zasady udziału w zajęciach: Wykład będzie się odbywał w blokach 3-godzinnych; udział w wykładzie jest dobrowolny,
  • Ćwiczenia laboratoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Laboratorium komputerowe składające się z pięciu 3-godzinnych spotkań polegać będzie na samodzielnym rozwiązaniu na stacji roboczej (serwerze) zagadnień z zakresu wykładu. Ćwiczenie poprzedzone będzie ustną prezentacją rozważanego problemu przez doktorantów.
Sposób obliczania oceny końcowej:

Ocena końcowa to średnia z oceny egzaminu (50%) oraz oceny zaliczenia laboratorium obliczeniowego (50%).

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

W razie nieobecności na laboratorium komputerowym, doktorant jest zobowiązany wykonać przewidziane programem obliczenia na serwerze oraz przesłanie raportu drogą emailową. Dopuszczalna liczba nieobecności 2 na 5 ćwiczeń.

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

Znajomość matematyki wyższej (algebra, analiza, geometria).

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

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).

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

Tytuł Magnetization, high pressure, and magnetocaloric studies of $MnRu_{x}Rh_{1-x}As$ $(x = 0.05, 0.1)$: experimental and theoretical approaches
Autorzy D. Szymański, R. Zach, W. Chajec, R. Duraj, J. TOBOŁA, M. Guillot, S. Haj-Khlifa, D. Fruchart
Źródło Journal of Alloys and Compounds. — 2019 vol. 776, s. 59-70. — tekst: https://www-1sciencedirect-1com-1000027pp006c.wbg2.bg.agh.edu.pl/science/article/pii/S0925838818338052/pdfft?md5=99dd91d2054a50114e5d8e0b95c8cc30&pid=1-s2.0-S0925838818338052-main.pdf

Tytuł Multi-phase nature of sintered vs. arc-melted $Cr_{x}AlFeCoNi$ high entropy alloys – experimental and theoretical study
Autorzy J. CIEŚLAK, J. TOBOŁA, J. PRZEWOŹNIK, K. BERENT, U. Dahlborg, J. Cornide, S. Mehraban, N. Lavery, M. Calvo-Dahlborg
Źródło Journal of Alloys and Compounds. — 2019 vol. 801, s. 511–519. — tekst: https://www-1sciencedirect-1com-1000027rn004c.wbg2.bg.agh.edu.pl/science/article/pii/S0925838819321966/pdfft?md5=e350dc55a75d8063f9c7064fab9e5451&pid=1-s2.0-S0925838819321966-main.pdf

Tytuł Structure and magnetic properties of bulk synthesized $Mn_{2−x}Fe_{x}P_{1−y}Si_{y}$ compounds from magnetization, $^{57}Fe$ Mössbauer spectroscopy, and electronic structure calculations
Autorzy Daniel Fruchart, Sonia Haj-Khlifa, Patricia de Rango, Mohamed Balli, Ryszard Zach, Wiesław Chajec, Piotr Fornal, Jan Stanek, Stanisław KAPRZYK, Janusz TOBOŁA
Źródło Crystals [Dokument elektroniczny]. — Czasopismo elektroniczne. — 2019 vol. 9 iss. 1 art. no. 37, s. 1–27. — tekst: https://www.mdpi.com/2073-4352/9/1/37/pdf

Tytuł Thermoelectric properties of the tetrahedrite-tennantite solid solutions $Cu_{12}Sb_{4-x}As_{x}S_{13}$ and $Cu_{10}Co_{2}Sb_{4-y}As_{y}S_{13}$ (0 $≤$ x, y $≤$ 4)
Autorzy Petr Levinsky, Christophe Candolfi, Anne Dauscher, Janusz TOBOŁA, Jiří Hejtmánek, Bertrand Lenoir
Źródło Physical Chemistry Chemical Physics. — 2019 vol. 21 iss. 8, s. 4547–4555. — tekst: https://pubs-1rsc-1org-100001e58026e.wbg2.bg.agh.edu.pl/en/content/articlepdf/2019/cp/c9cp00213h?page=search

Tytuł An Sn-induced resonant level in beta−As2Te3
Autorzy Bartłomiej WIENDLOCHA, Jean-Baptiste Vaney, Christophe Candolfi, Anne Dauscher, Bertrand Lenoir, Janusz TOBOŁA
Źródło Physical Chemistry Chemical Physics. — 2018 vol. 20 iss. 18, s. 12948–12957. — tekst: http://pubs-1rsc-1org-1wu2bf6dz01e6.wbg2.bg.agh.edu.pl/en/content/articlepdf/2018/cp/c8cp00431e?page=search

Tytuł Correlation between electronic structure, transport and electrochemical properties of a LiNi1−y−zCoyMnzO2 cathode material
Autorzy Janina MOLENDA, Anna MILEWSKA, Wojciech ZAJĄC, Michał RYBSKI, Janusz TOBOŁA
Źródło Physical Chemistry Chemical Physics. — 2017 vol. 19 iss. 37, s. 25697–25706. — tekst: https://goo.gl/iL2QTa

Tytuł Effect of isovalent substitution on the electronic structure and thermoelectric properties of the solid solution alpha−As2Te3–xSex(0≤x≤1.5)
Autorzy Jean-Baptiste Vaney, [et al.], Bartłomiej WIENDLOCHA, Janusz TOBOŁA, [et al.]
Źródło Inorganic Chemistry. — 2017 vol. 56 iss. 4, s. 2248–2257

Tytuł Electronic structure and magnetism of Lix(Ni−Co−Mn)O2 in view of KKR-CPA calculations
Autorzy M. RYBSKI, J. TOBOŁA, S. KAPRZYK, J. MOLENDA
Źródło Solid State Ionics. — 2018 vol. 321, s. 23–28. — tekst: https://www-1sciencedirect-1com-1000027az027d.wbg2.bg.agh.edu.pl/science/article/pii/S0167273817310081/pdfft?md5=208483fd6c1ad4d0833a3b17c858b66f&pid=1-s2.0-S0167273817310081-main.pdf

Tytuł Impact of crystal structure singularity on transport and electrochemical properties of Lix(LiyFezV1−y−z)O2 – electrode material for lithium batteries
Autorzy Bartłomiej GĘDZIOROWSKI, Janusz TOBOŁA, Artur Braun, Janina MOLENDA
Źródło Functional Materials Letters. — 2016 vol. 9 no. 4, art. no. 1641006, s. 1641006-1–1641006-12

Tytuł Interplay of crystal structure preference and magnetic ordering in high entropy CrCoFeNiAl alloys
Autorzy K. JASIEWICZ, S. KAPRZYK, J. TOBOŁA
Źródło Acta Physica Polonica. A. — 2018 vol. 133 no. 3, s. 511–513. — tekst: http://przyrbwn-1icm-1edu-1pl-1g71sbrdz00ef.wbg2.bg.agh.edu.pl/APP/PDF/133/app133z3p054.pdf

Tytuł Interplay of electronic, structural and magnetic properties as the driving feature of high-entropy CoCrFeNiPd alloys
Autorzy M. Calvo-Dahlborg, J. Cornide, J. TOBOŁA, D. Nguyen-Manh, J. S. Wróbel, J. Juraszek, S. Jouen, U. Dahlborg
Źródło Journal of Physics. D, Applied Physics. — 2017 vol. 50 no. 18 art. no. 185002, s. 1, 1–12. — tekst: https://goo.gl/8YKoLm

Tytuł Magnetic properties of sigma-phase FeCrX(X=Co,Ni) alloys: experimental and theoretical study
Autorzy J. CIEŚLAK, J. TOBOŁA, M. Reissner
Źródło Acta Materialia. — 2017 vol. 123, s. 35–43. — tekst: http://www-1sciencedirect-1com-1atoz.wbg2.bg.agh.edu.pl/science/article/pii/S1359645416307650

Tytuł Magnetization, high pressure, and magnetocaloric studies of MnRuxRh1−xAs (x=0.05,0.1): experimental and theoretical approaches
Autorzy D. Szymański, R. Zach, W. Chajec, R. Duraj, J. TOBOŁA, M. Guillot, S. Haj-Khlifa, D. Fruchart
Źródło Journal of Alloys and Compounds. — 2019 vol. 776, s. 59-70. — tekst: https://www-1sciencedirect-1com-1000027pp006c.wbg2.bg.agh.edu.pl/science/article/pii/S0925838818338052/pdfft?md5=99dd91d2054a50114e5d8e0b95c8cc30&pid=1-s2.0-S0925838818338052-main.pdf

Informacje dodatkowe:

Brak