Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Fizyka materii nieuporządkowanej
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
ZSDA-3-0152-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 chemiczne, nauki fizyczne
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

Wykład przybliża możliwości opisu teoretycznego, podstawy badań eksperymentalnych i metody modelowania układów materii wykazujących różnego rodzaju nieporządek oraz ich wpływ na obserwowane własności fizyczne. W części praktycznej w połączeniu z laboratorium komputerowym, przedstawione zostaną kwantowe metody obliczeń struktury elektronowej w zastosowaniu do realnych układów materii skondensowanej charakteryzujących się właściwościami magnetycznymi, nadprzewodzącymi, termoelektrycznymi.

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 Doktorant posiada wiedzę o możliwościach opisu teoretycznego, podstawach badań eksperymentalnych i metodach modelowania układów materii wykazujących różnego rodzaju nieporządek. SDA3A_W02, SDA3A_W01 Egzamin
M_W002 Student posiada wiedzę o metodach obliczeń struktury elektronowych oraz o możliwościach obliczeń wybranych właściwości fizycznych (magnetycznych, nadprzewodzących, termoelektrycznych) materiałów z nieporządkiem. SDA3A_W02, SDA3A_W01 Egzamin
Umiejętności: potrafi
M_U001 Student potrafi zainstalować dedykowane programy oraz przeprowadzić przy ich użyciu obliczenia związane z tematyką przedmiotu. SDA3A_U01 Sprawozdanie
M_U002 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_U01 Zaliczenie laboratorium
Kompetencje społeczne: jest gotów do
M_K001 Student potrafi poprawnie wyjaśniać - przy użyciu właściwej terminologii - zagadnienia będące przedmiotem zajęć laboratorium komputerowego. SDA3A_K01, SDA3A_K02 Udział w dyskusji
M_K002 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, potrafi klarownie sformułować swoją wypowiedź oraz bronić swego stanowiska używając merytorycznych argumentów. SDA3A_K01, SDA3A_K02
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 20 0 10 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 Doktorant posiada wiedzę o możliwościach opisu teoretycznego, podstawach badań eksperymentalnych i metodach modelowania układów materii wykazujących różnego rodzaju nieporządek. + - - - - - - - - - -
M_W002 Student posiada wiedzę o metodach obliczeń struktury elektronowych oraz o możliwościach obliczeń wybranych właściwości fizycznych (magnetycznych, nadprzewodzących, termoelektrycznych) materiałów z nieporządkiem. + - - - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student potrafi zainstalować dedykowane programy oraz przeprowadzić przy ich użyciu obliczenia związane z tematyką przedmiotu. - - + - - - - - - - -
M_U002 Student potrafi przeprowadzić krytyczną analizę wyników obliczeń, zinterpretować uzyskane wielkości fizyczne, podać ich związek z charakterystyką elektronową badanych materiałów i porównać z danymi eksperymentalnymi. - - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi poprawnie wyjaśniać - przy użyciu właściwej terminologii - zagadnienia będące przedmiotem zajęć laboratorium komputerowego. + - + - - - - - - - -
M_K002 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, potrafi klarownie sformułować swoją wypowiedź oraz bronić swego stanowiska używając merytorycznych argumentów. + - + - - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 74 godz
Punkty ECTS za moduł 3 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 30 godz
Przygotowanie do zajęć 15 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 5 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 15 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 4 godz
Dodatkowe godziny kontaktowe 5 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (20h):
  1. Elementarny opis układów topologicznie nieuporządkowanych

    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 teoretyczne badań eksperymentalnych struktur nieuporządkowanych

    Rozpraszanie fotonów, neutronów oraz elektronów. Wzór Rutherforda. Absorpcja cząstek w próbce. Amplituda rozpraszania. Czynnik strukturalny i jego związek z funkcjami dystrybucyjnymi. Sondowanie funkcji dystrybucyjnych (EXAFS). Opis rozpraszania cząstek w stopach podwójnych.

  3. Podstawy teorii ciekłych metali

    Zagadnienie rozpraszania elektronów. Przypomnienie wyników dla modelu elektronów “prawie” swobodnych. Metoda pseudopotencjału i koncepcja obliczeń samouzgodnionych. Energia gazu elektronowego w ciekłym metalu (oddziaływanie wymienno-korelacyjne). Funkcja dielektryczna.

  4. Opis zjawisk transportu elektronów w materii skondensowanej

    “Czworobok” termoelektryczny i współczynniki Onsagera. Formuły Zimana i Motta na przewodność elektryczną oraz siłę termoelektryczną dla metali (kryształy oraz amorfiki). 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.

  5. Wprowadzenie do obliczeń struktur elektronowych w ramach DFT

    Równania Hartree-Focka. Równania Kohna-Shama. Twierdzenia Hohenberga-Kohna. Przybliżenie lokalnej gęstości elektronowej LDA i poprawka LDA+U. Przybliżenie GW. Obliczenia struktury elektronowej układów realnych i niżej wymiarowych.

  6. Nieporządek a przejścia metal-izolator

    Defekty punktowe (domieszki i wakansje) w półprzewodnikach, ich wpływ na własności transportowe oraz optyczne. Zagadnienie lokalizacji elektronów (przejście Motta oraz Andersona). Półprzewodzące układy nieuporządkowane.

  7. Podstawy modelowania układów topologicznie nieuporządkowanych

    Założenia metody Monte Carlo. Definicje wielkości termodynamicznych. Uśrednianie po zespole kanonicznym. Algorytm Metropolisa. Metody dynamiki molekularnej i ewolucja czasowa układu. Równanie wirialne. Formuła Carnahana-Starlinga. Potencjał Lennarda-Jonesa.

  8. Podstawy teoretyczne rozpraszania elektronów w stopach

    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). Metoda rekurencyjna “ułamków ciągłych”.

  9. Porządek i nieporządek magnetyczny

    Stan paramagnetyczny i przejście para-ferro. Modele Heisenberga i Isinga. Szkła spinowe. Egzotyczne klasy materiałów: półprzewodniki magnetyczne (diluted magnetic semiconductors) oraz półmetaliczne ferro-magnetyki (half-metallic ferromagnets).

Ćwiczenia laboratoryjne (10h):
  1. Wprowadzenie do laboratorium obliczeniowego

    Laboratorium składające się z kilku ćwiczeń polegać będzie na samodzielnym rozwiązaniu na komputerze zagadnień z zakresu wykładu. Każde spotkanie poprzedzone będzie ustną prezentacją rozważanego problemu przez studentów. Podstawowym narzędziem obliczeń będą programy dedykowane, które należy zainstalować i uruchomić na serwerze obliczeniowym. Studenci wykonywać będą przede wszystkim obliczenia struktury elektronowej i wielkości fizycznych dla wybranych materiałów.
    Alternatywnie (dla studentów 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. Właściwości magnetyczne, nadprzewodzące i termoelektryczne układów nieuporządkowanych

    Spodziewane efekty kształcenia:
    - student potrafi rozpoznać topologiczne cechy powierzchni Fermiego i ich związek z policzonymi pasmami elektronowymi dla wybranych układów niemagnetycznych i magnetycznych (np. zagadnienie znikania powierzchni Fermiego wskutek podstawień),
    - student potrafi obliczyć podstawowe parametry struktury elektronowej odpowiedzialne za nadprzewodnictwo (w ramach modelu BCS) dla znanych nadprzewodników (np. Nb-Mo),
    - student potrafi obliczyć czasy życia i prędkości elektronów oraz oszacować ich wpływ na przewodność elektryczną i termosiłę w wybranych domieszkowanych półprzewodnikach.

  3. Struktura ciał stałych (od kryształu do amorfika)

    Spodziewane efekty zajęć:
    - student potrafi skonstruować komórkę elementarną dla podstawowych sieci krysztalicznych w przestrzeni prostej (Wignera-Seitza) i odwrotnej (strefy Brillouina) dla struktur z bazą jednoatomową i wieloatomową,
    - student potrafi zapisać różne konfiguracje atomowe w komórce przy pojawianiu się nieporządku obsadzeń,
    - student potrafi dokonać podziału płaszczyzny i przestrzeni metodą teselacji Voronoi oraz dualnej teselacji Delaunay dla przypadkowo wygenerowanych pozycji atomów (modelowanie amorfika).

  4. Struktura elektronowa materiałów (od metalu do półprzewodnika, od ferromagnetyka do paramagnetyka i niemagnetyka)

    Spodziewane efekty kształcenia:
    - student potrafi obliczyć strukturę elektronową przykładowego metalu i półprzewodnika dla komórki z bazą jednoatomową (np. Si, Cu, Bi) i wieloatomową (np. GaN, NiAs),
    - student potrafi zanalizować wyniki obliczeń struktury elektronowej z polaryzacją spinową dla układów magnetycznych prostych (Fe, Ni) i złożonych (NiMnSb, CoMnGe, Fe3O4, …)
    - student potrafi zobrazować wyniki obliczeń w postaci funkcji gęstości stanów oraz pasm elektronowych.

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: W trakcie zajęć laboratoryjnych studenci samodzielnie rozwiązują zadany problem praktyczny, dobierając odpowiednie narzędzia. Prowadzący stymuluje grupę do refleksji nad problemem, tak by otrzymane wyniki były wiarygodne i miały wartość naukową.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Warunkiem przystąpienia do egzamin jest pozytywne zaliczenie laboratorium numerycznego. Egzamin składa się z części pisemnej oraz ustnej, podczas której odbywa się krótka dyskusja pracy studenta.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Nie
    – Zasady udziału w zajęciach: Wykład będzie się odbywał w blokach 3 h, a udział w wykładzie jest dobrowolny,
  • Ćwiczenia laboratoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Udział w laboratorium numerycznym jest obowiązkowy.
Sposób obliczania oceny końcowej:

Oceny z ćwiczeń laboratoryjnych (lub projektowych) [LAB] oraz z egzaminu [EGZ] obliczane są następująco: procent uzyskanych punktów przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.
Ocena końcowa [OK] obliczana jest jako średnia ważona ocen z egzaminu [EGZ] i z ćwiczeń laboratoryjnych (lub projektowych) [LAB]:
OK = 0.5 x EGZ + 0.5 x LAB

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

W razie usprawiedliwionej nieobecności (maks. 2) na laboratorium komputerowym, doktorant powinien uzupełnić brak referując realizowany temat podczas konsultacji z prowadzącym, a formą zaliczenia ćwiczenia/projektu jest raport z przeprowadzenia obliczeń na serwerze, dostarczony drogą elektroniczną w ciągu kolejnych 2 tygodni,

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

- znajomość podstaw mechaniki kwantowej,
- znajomość podstaw fizyki ciała stałego,
- znajomość podstawowych komend w systemie UNIX

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:

1. K.Kutorasiński, J.Tobola, S.Kaprzyk, Calculating electron transport coefficients of disordered alloys using the KKR-CPA method and Boltzmann approach: Application to Mg2Si1−xSnx thermoelectrics
Physical Review B, 87 (2013) 195205:1-9

2. J. Molenda, D. Baster, M. Molenda, K. Świerczek, J. Tobola, Anomaly in the electronic structure of the NaxCoO2-y cathode as a source of its step-like discharge curve, Physical Chemistry Chemical Physics, 16 (2014) 14845-14857.

3. K. Kutorasiński, B. Wiendlocha, J. Tobola, S. Kaprzyk, Importance of relativistic effects in electronic structure and thermopower calculations for Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, Physical Review B, 89 (2014) 115205.

4. K. Jasiewicz, J. Cieślak, S. Kaprzyk, J. Tobola, Relative crystal stability of AlxFeNiCrCo high entropy alloys from XRD analysis and formation energy calculation, Journal of Alloys and Compounds, 648 (2015) 307.

5. K. Jasiewicz, B. Wiendlocha, P. Korben, S. Kaprzyk, J. Tobola, Superconductivity of Ta34Nb33Hf8Zr14Ti11 high entropy alloy from first principles calculations, Physica Status Solidi, RRL 10 (2016) 415.

6. B. Wiendlocha, K. Kutorasinski, S. Kaprzyk, J. Tobola, Recent progress in calculations of electronic and transport properties of disordered thermoelectric materials, Scripta Materialia 111 (2016) 33.

7. J. Cieslak, J Tobola, M. Reissner, Magnetic properties of sigma-phase FeCrX(X=Co,Ni) alloys: experimental and theoretical study, Acta Materialia 123 (2017) 35.

8. Bartlomiej Wiendlocha, Jean-Baptiste Vaney, Christophe Candolfi, Anne Dauscher, Bertrand Lenoir, Janusz Tobola, An Sn-induced resonant level in β−As2Te3, Physical Chemistry Chemical Physics 18 (2018) 12948.

9. Christophe Candolfi, Anne Dauscher, Janusz TOBOŁA, Jiří Hejtmánek, Bertrand Lenoir, Petr Levinsky, Thermoelectric properties of the tetrahedrite-tennantite solid solutions Cu_12Sb_4-xAs_xS_13 and Cu_10Co_2Sb_4-xAs_yS_13, Physical Chemistry Chemical Physics 21 (2019) 4547–4555.

Informacje dodatkowe:

Brak