МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ высшего профессионального образования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. И.И. ПОЛЗУНОВА»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по научно-инновационной работе
_______________________ А.А. Максименко
«____»____________ 2015 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
основной образовательной программы подготовки аспиранта по
направлению 03.06.01 Физика и астрономия
Профиль: 01.04.07.
Физика конденсированного состояния
Квалификация: Исследователь. Преподаватель исследователь.
Барнаул 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Рабочая программа дисциплины «Физика конденсированного состояния» составлена на основании федеральных государственных образовательных стандартов к основной
образовательной программе высшего образования подготовки научно-педагогических
кадров в аспирантуре по направлению 03.06.01 «Физика и астрономия». В соответствии с
Программой кандидатского экзамена по специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния», утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ № 274
от 08.10.2007 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА РАССМОТРЕНА И ОДОБРЕНА на заседании кафедры«Фиика»
протокол № ___ от _________2015 г.
Научный руководитель программы аспирантской подготовки
Б.Ф.Демьянов
Программа СОГЛАСОВАНА с факультетами, выпускающими кафедрами профилей;
СООТВЕТСТВУЕТ действующему учебному плану.
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Рассматриваемая дисциплина является основной в подготовке аспирантов, обучающихся по профилю «Физика конденсированного состояния».
Целью освоения дисциплины «Физика конденсированного состояния» является:
формирование у аспирантов углубленных теоретических знаний в области физики
конденсированного состояния.
Задачи дисциплины:
- сформировать у аспирантов общее представление о многообразии методов и подходов, используемых при решении задач, связанных с созданием новых материалов с требуемыми свойствами.
- научить аспирантов на практике применять базовые методы в современных технологических процессах.
- подготовить аспирантов к применению полученных знаний при проведении научных исследований.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Учебная дисциплина «Физика конденсированного состояния» входит в состав
ООП, как вариативная часть (блок 1).
Дисциплина «Физика конденсированного состояния» необходима для подготовки и
сдачикандидатского экзамена.
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс изучения дисциплины «Физика конденсированного состояния» направлен
на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ООП по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия.
Таблица 3.1
Код
компетенции по
ФГОС ВО
Содержание
компетенции
(или ее части)
В результате изучения дисциплины
обучающиеся должны
знать
уметь
владеть
Универсальные компетенции :
УК-1
способность к критическому анализу и
оценке современных
научных
достижений, генерированию
новых идей при решении
исследовательских и практических задач, в том
числе в междисциплинарных областях
УК-5
способность планиметоды планироваровать и решать за- ния и организации
дачи собственного научного эксперимента, основы научпрофессионального
ной организации
и личностного разтруда и эргономики
вития
составлять план
научного исследования
формами и приемами формирования
рационального образа жизни, навыками постановки задач
исследования и составления плана
выполнения научной работы
Общепрофессиональные компетенции:
ОПК-1
ПК-1
ПК-2
способность самостоятельно
осуществлять научноисследовательскую
деятельность в соотсамостоятельно
современные метоветствующей
про- ды научных иссле- осуществлять научнофессиональной об- дований и методы
исследовательскую
информационноласти с использовадеятельность в свонием современных коммуникационные ей профессиональтехнологий
ной области
методов исследования и информационнокоммуникационных
технологий
Профессиональные компетенции:
применять
готовность приме- основные законы
образования
криосновные законы
нять основные закосталлических сины
образования стем и их поведения образования
кристаллических
кристаллических
в условиях внешнесистем и их
систем и их поведе- го температурного и поведения в
ния
в
условиях силового воздейусловиях внешнего
ствия
внешнего температемпературного и
силового
турного и силового
воздействия для
воздействия для ререшения
шения практических
практических
задач в области мазадач в области
териаловедения.
материаловедения
способность применять основы атомной и квантовой
теории
строения
твердых тел для
анализа и прогнози-
основы атомной и
квантовой теории
строения твердых
тел
применять основы
атомной и
квантовой теории
строения твердых
тел для анализа и
прогнозирования
свойств
методами научноисследовательской
работы в изучаемой области
методами решения
практических
задач в области
материаловедения
методами анализа
и прогнозирования
свойств
получаемых
материалов
ПК-3
ПК-4
ПК-5
рования свойств получаемых материалов.
владение основными методами исследования конденсированных тел, навыками
проведения
физического эксперимента и работы на
современной научной аппаратуре.
владение понятийным аппаратом физики
конденсированного состояния и
умение
осваивать
специальную
информацию при чтении
научнотехнической литературы.
готовность к преподавательской
деятельности в области
профессиональных
дисциплин по профилю «Физика конденсированного состояния»
получаемых
материалов
методы исследования конденсированных тел
основные понятия
физики
конденсированного
состояния
образовательную
программу по профилю «Физика
конденсированного
состояния»
проводить
физический
эксперимент и
работать на
современной
научной
аппаратуре
осваивать
специальную
информацию при
чтении научнотехнической
литературы
проводить
лекционные,
практические и
лабораторные
занятия по дисциплине «Физика
конденсированного
состояния»
навыками
проведения
физического
эксперимента и
работы на
современной
научной
аппаратуре
понятийным
аппаратом физики
конденсированного
состояния
методами
проведения
лекционных,
практических и
лабораторных
занятий по дисциплине «Физика
конденсированного
состояния»
4. СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах и зачетных единицах)
Форма обучения – очная. Изучение специальной дисциплины по учебному плану предполагается на 3, 4 году обучения аспирантуры, в 6 и 7 семестрах соответственно. В
6семестре – зачет, в 7 семестре – экзамен.
Таблица 4.1
Объем часов / зачетВид учебной работы
ных единиц
324/9
Трудоемкость изучения дисциплины
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего)
35/1
в том числе:
практические (семинарские) занятия
35/1
Самостоятельная работа аспиранта (всего)
289/8
4.2. Разделы дисциплины и виды занятий
Таблица 4.2
Название раздела
дисциплины
1. Силы связи в твердых телах
2. Симметрия твердых тел
3. Дефекты в твердых телах
4. Дифракция в кристаллах
5. Колебания решетки
6. Тепловые свойства твердых тел
7. Электронные свойства твердых тел
8. Магнитные свойства твердых тел
9. Оптические свойства твердых тел
10. Сверхпроводимость
11. Фазовый состав, структура фаз и методы их изучения
12. Фазовые превращения и границы раздела фаз
13. Воздействие концентрированными потоками энергии на вещество
14. Деформационные дефекты в кристаллических материалах
15. Внутренние напряжения и их источники
16. Пластическое поведение металлов и сплавов
17. Закономерности и механизмы пластической деформации
Итого:
Виды учебных занятий
(в часах)
практические
само(семинарские)
стоязанятия
тельная
работа
2
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
2
2
3
35
17
17
17
17
289
4.3. Содержание разделов и тем.
1. Силы связи в твердых телах
Электронная структура атомов. Химическая связь и валентность. Типы сил связи в
конденсированном состоянии: Ван дер Ваальсова связь, ионная связь, ковалентная связь,
металлическая связь.
Химическая связь и ближний порядок. Структура вещества с ненаправленным взаимодействием. Примеры кристаллических структур, отвечающих плотным упаковкам шаров: простая кубическая, ОЦК, ГЦК, ГПУ, структура типа CsCl, типа NaCl, структура типа
перовскита CaTiO3.
Основные свойства ковалентной связи. Структура веществ с ковалентными связями. Структура веществ типа селена. Гибридизация атомных орбиталей в молекулах и кристаллах. Структура типа алмаза и графита.
2. Симметрия твердых тел
Кристаллические и аморфные твердые тела. Трансляционная инвариантность. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Ячейка Вигнера – Зейтца. Решетка Браве. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Обратная решетка,
ее свойства. Зона Бриллюэна.
Элементы симметрии кристаллов: повороты, отражения, инверсия, инверсионные
повороты, трансляции. Операции (преобразования) симметрии.
Элементы теории групп, группы симметрии. Возможные порядки поворотных осей
в кристалле. Пространственные и точечные группы (кристаллические классы). Классификация решеток Браве.
3. Дефекты в твердых телах
Точечные дефекты, их образование и диффузия. Вакансии и межузельные атомы.
Дефекты Френкеля и Шоттки.
Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций в пластической деформации.
4. Дифракция в кристаллах
Распространение волн в кристаллах. Дифракция рентгеновских лучей , нейтронов и
электронов в кристалле. Упругое и неупругое рассеяние, их особенности.
Брэгговские отражения. Атомный и структурный факторы. Дифракция в аморфных
веществах.
5. Колебания решетки
Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов. Простая и
сложная одномерные цепочки атомов. Закон дисперсии упругих волн. Акустические и оптические колебания. Квантование колебаний. Фононы. Электрон-фононное взаимодействие.
6. Тепловые свойства твердых тел
Теплоемкость твердых тел. Решеточная теплоемкость. Электронная теплоемкость.
Температурная зависимость решеточной и электронной теплоемкости.
Классическая теория теплоемкости. Закон равномерного распределения энергии по
степеням свободы в классической физике. Границы справедливости классической теории.
Квантовая теория теплоемкости по Эйнштейну и Дебаю. Предельные случаи высоких и низких температур. Температура Дебая.
Тепловое расширение твердых тел. Его физическое происхождение. Ангармонические колебания.
Теплопроводность решеточная и электронная. Закон Видемана – Франца для электронной теплоемкости и теплопроводности.
7. Электронные свойства твердых тел
Электронные свойства твердых тел: основные экспериментальные факты. Проводимость, эффект Холла, термоэдс, фотопроводимость, оптическое поглощение. Трудности
объяснения этих фактов на основе классической теории Друде.
Основные приближения зонной теории. Граничные условия Борна – Кармана. Теорема Блоха. Блоховские функции. Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна. Энергетические зоны.
Брэгговское отражение электронов при движении по кристаллу. Полосатый спектр
энергии.
Приближение сильно связанных электронов. Связь ширины разрешенной зоны с
перекрытием волновых функций атомов. Закон дисперсии. Тензор обратных эффективных
масс.
Приближение почти свободных электронов. Брэгговские отражения электронов.
Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность Ферми. Плотность состояний. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Полуметаллы.
8. Магнитные свойства твердых тел
Намагниченность и восприимчивость. Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Законы Кюри и Кюри – Вейсса. Парамагнетизм и диамагнетизм электронов проводимости.
Природа ферромагнетизма. Фазовый переход в ферромагнитное состояние. Роль
обменного взаимодействия. Точка Кюри и восприимчивость ферромагнетика.
Ферромагнитные домены. Причины появления доменов. Доменные границы (Блоха, Нееля).
Антиферромагнетики. Магнитная структура. Точка Нееля. Восприимчивость антиферромагнетиков. Ферримагнетики. Магнитная структура ферримагнетиков.
Спиновые волны, магноны.
Движение магнитного момента в постоянном и переменном магнитных полях.
Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс.
9. Оптические свойства твердых тел
Комплексная диэлектрическая проницаемость и оптические постоянные. Коэффициенты поглощения и отражения. Соотношения Крамерса-Кронига.
Поглощения света в полупроводниках (межзонное, примесное поглощение, поглощение свободными носителями, решеткой). Определение основных характеристик полупроводника из оптических исследований.
Магнитооптические эффекты (эффекты Фарадея, Фохта, и Керра).
Проникновение высокочастотного поля в проводник Нормальный и аномальный
скин-эффекты. Толщина скин-слоя.
10. Сверхпроводимость
Сверхпроводимость. Критическая температура. Высокотемпературные сверхпроводники. Эффект Мейсснера. Критическое поле и критический ток.
Сверхпроводники первого и второго рода. Их магнитные свойства. Вихри Абрикосова. Глубина проникновения магнитного поля в образец.
Эффект Джозефсона.
Куперовское спаривание. Длина когерентности. Энергетическая щель.
Дополнительные разделы по специфике работы руководителя, согласующиеся с
профессиональными компетенциями
11. Фазовый состав, структура фаз и методы их изучения
Основные металлические фазы. Твердые растворы. Дальний и ближний порядок в
твердых растворах. Интерметаллиды. Карбиды, нитриды, бориды.
Дифракционная картина от различных фаз. Рентгеноструктурный и электроннографический анализ. Интерференционная картина и её индексы.
Влияние дефектов решетки на дифракционную картину. Размытие рентгеновских
интерференций, смещение их координат и изменение интенсивности. Статические и динамические смещения атомов. Дефекты упаковки. Дислокации.
12. Фазовые превращения и границы раздела фаз
Упорядоченные твердые растворы. Дальний и ближний порядок в расположении
атомов твердых растворов. Параметры, характеризующие дальний и ближний порядок.
Антифазные домены и антифазные границы в сплавах со сверхструктурой L12. Энергия
антифазных границ. Энергия упорядочения.
Границы зерен, общие и специальные границы. Миграция границ, скольжение по
границам зерен. Взаимодействие границ с частицами второй фазы.
Межфазные границы, когерентные, полукогерентные, некогерентные. Проблема
энергии границ зерен и межфазных границ.
Диаграммы равновесия. Однофазные, двухфазные и многофазные области на диаграммах. Типы фазовых равновесий. Фазовые превращения и диффузионный массоперенос. Понятие о критических точках, точечных и двухфазных переходах. Фазовые переходы I-й и II-рода. Критические явления.
Диффузионные и мартенситные превращения в сплавах и сталях. Роль температуры, границ разделов, приложенных напряжений. Влияние дефектной структуры на фазовые превращения. Особенности зарождения и развития вторичных фаз.
13. Воздействие концентрированными потоками энергии на вещество
Дефектообразование и другие процессы при этих воздействиях. Имплантация.
Формирование неравновесных состояний в твердых растворах. Формирование недиаграммныхфазах, атомное перемешивание, испарение. Формирование дислокационной
структуры, эффект дальнодействия.
14. Деформационные дефекты в кристаллических материалах
Точечные дефекты. Линейные деформационные дефекты. Планарные деформационные дефекты. Объемные дефекты пластической деформации. Механизмы генерации то-
чечных дефектов. Генерация дислокаций. Дислокационные стенки. Механизмы аннигиляции дислокаций в процессе пластической деформации кристалла. Рекомбинация деформационных дефектов. Диффузионные процессы и аннигиляция точечных дефектов.
15. Внутренние напряжения и их источники
Источники полей внутренних напряжений. Локальные и дальнодействующие поля
напряжений. Неоднородность поля внутренних напряжений.
Методы измерения поля внутренних напряжений. Сжимающие и растягивающие
напряжения, скалывающие напряжения. Кривизна-кручение кристаллической решетки.
16. Пластическое поведение металлов и сплавов
Упругая деформация. Микроскопическая неупругая деформация. Макроскопическая пластическая деформация. Макроскопическая пластическая деформация в результате
скольжения по одной и нескольким системам скольжения.
17. Закономерности и механизмы пластической деформации
Активная деформация. Ползучесть. Релаксация напряжений, усталость. Роль температуры и скорости деформации. Распространение пластической деформации. Активация
источников дислокаций расширяющейся дислокационной петли. Скорость распространения сдвиговых процессов пластической деформации.
Экспериментальные сведения по разрушению дальнего атомного порядка под воздействием пластической деформации в сплавах со сверхструктурой L12. Изменение параметра дальнего порядка вблизи антифазных границ. Размытие антифазных границ. Понятие о термической активации.
Кривые течения. Стадии деформации. Дислокации. Компоненты дефектной среды
деформированного кристалла. Сверхдислокации. Частичные дислокации. Зернограничные
дислокации. Положительная и отрицательная температурные зависимости напряжения
течения.
Скольжение дислокаций, их переползание. Двойникование. Перемещение свободного объема. Фрагментация.
Классификация субструктур. Эволюция дефектной структуры в процессе пластической деформации. Формирование субструктур и их взаимопревращения. Роль неустойчивостей в дислокационной структуре. Зарождение и развитие микротрещин. Моделирование механизмов генерации деформационных дефектов, их аннигиляции и релаксации.
5. ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ
5.1. Паспорт фонда оценочных средств по дисциплине «Физика конденсированного состояния».
Таблица 5.1
Контролируемые разделы
дисциплины
1
Все разделы
дисциплины
Код контролируемой компетенции
2
УК-1
УК-5
ОПК-1
ПК-4
ПК-1
Этап
Способ
оценивания
Оценочное средство
3
начальный
4
З, Э
5
Контрольные вопросы для
зачетов, вопросы для экзаменационных билетов.
завершающий
ОС,ГЭ,
ЗНКР
основной
ОС, Э, З,
Типовые темы семинарских выступлений, контрольные вопросы на ГЭ,
типовое задание на методическую разработку.
Типовые темы семинар-
ПК-2
ПК-3
ГЭ
ских выступлений, Контрольные вопросы для зачетов, вопросы для экзаменационных билетов, контрольные вопросы на ГЭ.
З- зачет;
Э – экзамен;
ОС – оценивание на семинарском выступлении аспиранта;
ГЭ – государственный экзамен;
ЗНКР – защита научно – квалификационной работы (рецензирование, коллективное оценивание ГЭК).
5.2. Оценочные средства для текущего контроля и промежуточной аттестации
Цель контроля – получение информации и соответствие ее результатам обучения.
5.2.1.Текущий контроль
Текущий контроль успеваемости, т.е. проверка усвоения учебного материала по
дисциплине «Физика конденсированного состояния» учащихся организован как устный
опрос.
Текущая самостоятельная работа аспиранта направлена на углубление и закрепление знаний, и развитие практических умений.
5.2.2. Список вопросов для проведения текущего контроля и устного опроса
обучающихся:
1. Силы связи в твердых телах. Электронная структура атомов. Химическая связь и
валентность. Типы сил связи в конденсированном состоянии: Ван дер Ваальсова связь,
ионная связь, ковалентная связь, металлическая связь. Химическая связь и ближний
порядок. Структура вещества с ненаправленным взаимодействием. Примеры
кристаллических структур, отвечающих плотным упаковкам шаров: простая кубическая,
ОЦК, ГЦК, ГПУ, структура типа CsCl, типа NaCl, структура типа перовскита CaTiO3.
Основные свойства ковалентной связи. Структура веществ с ковалентными связями.
Структура веществ типа селена. Гибридизация атомных орбиталей в молекулах и
кристаллах. Структура типа алмаза и графита.
2. Симметрия твердых тел. Кристаллические и аморфные твердые тела. Трансляционная
инвариантность. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Ячейка Вигнера – Зейтца. Решетка Браве. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле.
Обратная решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна.
Элементы симметрии кристаллов:
повороты, отражения, инверсия, инверсионные повороты, трансляции. Операции (преобразования) симметрии.
Элементы теории групп, группы симметрии. Возможные порядки поворотных осей в кристалле. Пространственные и точечные группы (кристаллические классы). Классификация решеток Браве.
3. Дефекты в твердых телах. Точечные дефекты, их образование и диффузия. Вакансии
и межузельные атомы. Дефекты Френкеля и Шоттки. Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций в пластической деформации.
4. Дифракция в кристаллах. Распространение волн в кристаллах. Дифракция рентгеновских лучей , нейтронов и электронов в кристалле. Упругое и неупругое рассеяние, их особенности. Брэгговские отражения. Атомный и структурный факторы. Дифракция в
аморфных веществах.
5. Колебания решетки. Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов. Простая и сложная одномерные цепочки атомов. Закон дисперсии упругих волн.
Акустические и оптические колебания. Квантование колебаний. Фононы. Электрон-
фононное взаимодействие.
6. Тепловые свойства твердых тел. Теплоемкость твердых тел. Решеточная теплоемкость. Электронная теплоемкость. Температурная зависимость решеточной и электронной
теплоемкости.
Классическая теория теплоемкости. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы в классической физике. Границы справедливости классической теории.
Квантовая теория теплоемкости по Эйнштейну и Дебаю. Предельные
случаи высоких и низких температур. Температура Дебая. Тепловое расширение твердых
тел. Его физическое происхождение. Ангармонические колебания. Теплопроводность решеточная и электронная. Закон Видемана – Франца для электронной теплоемкости и теплопроводности.
7. Электронные свойства твердых тел. Электронные свойства твердых тел: основные
экспериментальные факты. Проводимость, эффект Холла, термоэдс, фотопроводимость,
оптическое поглощение. Трудности объяснения этих фактов на основе классической теории Друде. Основные приближения зонной теории. Граничные условия Борна – Кармана. Теорема Блоха. Блоховские функции. Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна. Энергетические
зоны. Брэгговское отражение электронов при движении по кристаллу. Полосатый спектр
энергии. Приближение сильно связанных электронов. Связь ширины разрешенной зоны с
перекрытием волновых функций атомов. Закон дисперсии. Тензор обратных эффективных
масс. Приближение почти свободных электронов. Брэгговские отражения электронов. Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность Ферми. Плотность состояний.
Металлы, диэлектрики и полупроводники. Полуметаллы.
8. Магнитные свойства твердых тел. Намагниченность и восприимчивость. Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Законы Кюри и Кюри – Вейсса. Парамагнетизм и
диамагнетизм электронов проводимости. Природа ферромагнетизма. Фазовый переход в
ферромагнитное состояние. Роль обменного взаимодействия. Точка Кюри и восприимчивость ферромагнетика. Ферромагнитные домены. Причины появления доменов. Доменные
границы (Блоха, Нееля). Антиферромагнетики. Магнитная структура. Точка Нееля. Восприимчивость антиферромагнетиков. Ферримагнетики. Магнитная структура ферримагнетиков. Спиновые волны, магноны. Движение магнитного момента в постоянном и переменном магнитных полях. Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный
резонанс.
9. Оптические свойства твердых тел. Комплексная диэлектрическая проницаемость и
оптические постоянные. Коэффициенты поглощения и отражения. Соотношения Крамерса-Кронига. Поглощения света в полупроводниках (межзонное, примесное поглощение,
поглощение свободными носителями, решеткой). Определение основных характеристик
полупроводника из оптических исследований. Магнитооптические эффекты (эффекты
Фарадея, Фохта, и Керра). Проникновение высокочастотного поля в проводник Нормальный и аномальный скин-эффекты. Толщина скин-слоя.
10. Сверхпроводимость. Сверхпроводимость. Критическая температура. Высокотемпературные сверхпроводники. Эффект Мейсснера. Критическое поле и критический ток.
Сверхпроводники первого и второго рода. Их магнитные свойства. Вихри Абрикосова. Глубина проникновения магнитного поля в образец.
Эффект Джозефсона. Куперовское спаривание. Длина когерентности. Энергетическая щель.
11. Фазовыйсостав, структураметаллическихфаз и методыихизучения. Основные металлические фазы. Твердые растворы. Дальний и ближний порядок в твердых растворах.
Интерметаллиды. Карбиды, нитриды, бориды. Дифракционная картина от различных фаз.
Рентгеноструктурный и электроннографический анализ. Интерференционная картина и её
индексы. Влияние дефектов решетки на дифракционную картину. Размытие рентгеновских интерференций, смещение их координат и изменение интенсивности. Статические и
динамические смещения атомов. Дефекты упаковки. Дислокации.
12. Фазовыепревращения и границыраздела. Упорядоченные твердые растворы. Дальний и ближний порядок в расположении атомов твердых растворов. Параметры, характе-
ризующие дальний и ближний порядок. Антифазные домены и антифазные границы в
сплавах со сверхструктурой L12. Энергия антифазных границ. Энергия упорядочения.
Границы зерен, общие и специальные границы. Миграция границ, скольжение по границам зерен. Взаимодействие границ с частицами второй фазы. Межфазные границы, когерентные, полукогерентные, некогерентные. Проблема энергии границ зерен и межфазных
границ. Диаграммы равновесия. Однофазные, двухфазные и многофазные области на диаграммах. Типы фазовых равновесий. Фазовые превращения и диффузионный массоперенос. Понятие о критических точках, точечных и двухфазных переходах. Фазовые переходы I-й и II-рода. Критические явления. Диффузионные и мартенситные превращения в
сплавах и сталях. Роль температуры, границ разделов, приложенных напряжений. Влияние дефектной структуры на фазовые превращения. Особенности зарождения и развития
вторичных фаз.
13. Воздействиеконцентрированнымипотокамиэнергии(лазерноеизлучение, ионные
и электронныепучки, γ-кванты). Дефектообразование и другие процессы при этих воздействиях. Имплантация. Формирование неравновесных состояний в твердых растворах.
Формирование недиаграммныхфазах, атомное перемешивание, испарение. Формирование
дислокационной структуры, эффект дальнодействия.
14. Деформационные дефекты в кристаллических материалах. Точечные дефекты.
Линейные деформационные дефекты. Планарные деформационные дефекты. Объемные
дефекты пластической деформации. Механизмы генерации точечных дефектов. Генерация
дислокаций. Дислокационные стенки. Механизмы аннигиляции дислокаций в процессе
пластической деформации кристалла. Рекомбинация деформационных дефектов. Диффузионные процессы и аннигиляция точечных дефектов.
15. Внутренние напряжения и их источники. Источники полей внутренних напряжений. Локальные и дальнодействующие поля напряжений. Неоднородность поля внутренних напряжений. Методы измерения поля внутренних напряжений. Сжимающие и растягивающие напряжения, скалывающие напряжения. Кривизна-кручение кристаллической
решетки.
16. Пластическое поведение металлов и сплавов. Упругая деформация. Микроскопическая неупругая деформация. Макроскопическая пластическая деформация. Макроскопическая пластическая деформация в результате скольжения по одной и нескольким системам скольжения.
17. Закономерности и механизмы пластической деформации. Активная деформация.
Ползучесть. Релаксация напряжений, усталость. Роль температуры и скорости деформации. Распространение пластической деформации. Активация источников дислокаций
расширяющейся дислокационной петли. Скорость распространения сдвиговых процессов
пластической деформации. Экспериментальные сведения по разрушению дальнего атомного порядка под воздействием пластической деформации в сплавах со сверхструктурой
L12. Изменение параметра дальнего порядка вблизи антифазных границ. Размытие антифазных границ. Понятие о термической активации. Кривые течения. Стадии деформации.
Дислокации. Компоненты дефектной среды деформированного кристалла. Сверхдислокации. Частичные дислокации. Зернограничные дислокации. Положительная и отрицательная температурные зависимости напряжения течения. Скольжение дислокаций, их переползание. Двойникование. Перемещение свободного объема. Фрагментация. Классификация субструктур. Эволюция дефектной структуры в процессе пластической деформации.
Формирование субструктур и их взаимопревращения. Роль неустойчивостей в дислокационной структуре. Зарождение и развитие микротрещин. Моделирование механизмов генерации деформационных дефектов, их аннигиляции и релаксации.
5.3Промежуточная аттестация
Промежуточная аттестация осуществляется в конце семестра. Форма аттестации –
зачет в в 6 семестре и экзамен в 7 семестре.
На экзамене аспирант должен продемонстрировать высокий научный уровень и
научные знания по дисциплине «Физика конденсированного состояния».
При оценивании сформированности компетенций по дисциплине «Физика
конденсированного состояния»используется двухуровневая и 5-балльная шкала.
Таблица 5.3.1. Форма промежуточной аттестации:зачет
Критерий
Аспирант проявил знание программного материала, демонстрирует сформированные (иногда не полностью) умения и навыки, указанные в программе компетенции, умеет (в основном) систематизировать материал и делать выводы
Аспирант не усвоил основное содержание материала, не умеет
систематизировать информацию, делать выводы, четко и грамотно отвечать на заданные вопросы, демонстрирует низкий уровень
овладения необходимыми компетенциями
Оценка по традиционной шкале
Зачтено
Не зачтено
Таблица 5.3.2. Форма промежуточной аттестации: экзамен
Критерий
Аспирант твёрдо знает программный материал, системно и грамотно излагает его, демонстрирует необходимый уровень компетенций, чёткие, сжатые ответы на дополнительные вопросы,
свободно владеет понятийным аппаратом.
Аспирант проявил полное знание программного материала, демонстрирует сформированные на достаточном уровне умения и
навыки, указанные в программе компетенции, допускает непринципиальные неточности при изложении ответа на вопросы.
Аспирант обнаруживает знания только основного материала, но
не усвоил детали, допускает ошибки, демонстрирует не до конца
сформированные компетенции, умения систематизировать материал и делать выводы.
Аспирант не усвоил основное содержание материала, не умеет
систематизировать информацию, делать необходимые выводы,
чётко и грамотно отвечать на заданные вопросы, демонстрирует
низкий уровень овладения необходимыми компетенциями.
Оценка по 5-балльной
шкале
5(отлично)
4(хорошо)
3(удовлетворительно)
2 (неудовлетворительно)
5.4. Список вопросов для проведения промежуточной аттестации
5.4.1 Вопросы для зачета: (по пройденным в семестре темам)
1. Силы связи в твердых телах. Электронная структура атомов. Химическая связь и
валентность. Типы сил связи в конденсированном состоянии: Ван дер Ваальсова связь,
ионная связь, ковалентная связь, металлическая связь. Химическая связь и ближний
порядок. Структура вещества с ненаправленным взаимодействием. Примеры
кристаллических структур, отвечающих плотным упаковкам шаров: простая кубическая,
ОЦК, ГЦК, ГПУ, структура типа CsCl, типа NaCl, структура типа перовскита CaTiO3.
Основные свойства ковалентной связи. Структура веществ с ковалентными связями.
Структура веществ типа селена. Гибридизация атомных орбиталей в молекулах и
кристаллах. Структура типа алмаза и графита.
2. Симметрия твердых тел. Кристаллические и аморфные твердые тела. Трансляционная
инвариантность. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Ячейка Вигнера – Зейтца. Решетка Браве. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле.
Обратная решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна.
Элементы симметрии кристаллов:
повороты, отражения, инверсия, инверсионные повороты, трансляции. Операции (преобразования) симметрии.
Элементы теории групп, группы симметрии. Возможные порядки поворотных осей в кристалле. Пространственные и точечные группы (кристаллические классы). Классификация решеток Браве.
3. Дефекты в твердых телах. Точечные дефекты, их образование и диффузия. Вакансии
и межузельные атомы. Дефекты Френкеля и Шоттки. Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций в пластической деформации.
4. Дифракция в кристаллах. Распространение волн в кристаллах. Дифракция рентгеновских лучей , нейтронов и электронов в кристалле. Упругое и неупругое рассеяние, их особенности. Брэгговские отражения. Атомный и структурный факторы. Дифракция в
аморфных веществах.
5. Колебания решетки. Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов. Простая и сложная одномерные цепочки атомов. Закон дисперсии упругих волн.
Акустические и оптические колебания. Квантование колебаний. Фононы. Электронфононное взаимодействие.
6. Тепловые свойства твердых тел. Теплоемкость твердых тел. Решеточная теплоемкость. Электронная теплоемкость. Температурная зависимость решеточной и электронной
теплоемкости.
Классическая теория теплоемкости. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы в классической физике. Границы справедливости классической теории.
Квантовая теория теплоемкости по Эйнштейну и Дебаю. Предельные
случаи высоких и низких температур. Температура Дебая. Тепловое расширение твердых
тел. Его физическое происхождение. Ангармонические колебания. Теплопроводность решеточная и электронная. Закон Видемана – Франца для электронной теплоемкости и теплопроводности.
7. Электронные свойства твердых тел. Электронные свойства твердых тел: основные
экспериментальные факты. Проводимость, эффект Холла, термоэдс, фотопроводимость,
оптическое поглощение. Трудности объяснения этих фактов на основе классической теории Друде. Основные приближения зонной теории. Граничные условия Борна – Кармана. Теорема Блоха. Блоховские функции. Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна. Энергетические
зоны. Брэгговское отражение электронов при движении по кристаллу. Полосатый спектр
энергии. Приближение сильно связанных электронов. Связь ширины разрешенной зоны с
перекрытием волновых функций атомов. Закон дисперсии. Тензор обратных эффективных
масс. Приближение почти свободных электронов. Брэгговские отражения электронов. Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность Ферми. Плотность состояний.
Металлы, диэлектрики и полупроводники. Полуметаллы.
8. Магнитные свойства твердых тел. Намагниченность и восприимчивость. Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Законы Кюри и Кюри – Вейсса. Парамагнетизм и
диамагнетизм электронов проводимости. Природа ферромагнетизма. Фазовый переход в
ферромагнитное состояние. Роль обменного взаимодействия. Точка Кюри и восприимчивость ферромагнетика. Ферромагнитные домены. Причины появления доменов. Доменные
границы (Блоха, Нееля). Антиферромагнетики. Магнитная структура. Точка Нееля. Восприимчивость антиферромагнетиков. Ферримагнетики. Магнитная структура ферримагнетиков. Спиновые волны, магноны. Движение магнитного момента в постоянном и пере-
менном магнитных полях. Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный
резонанс.
5.4.2 Вопросы для экзамена.
1. Силы связи в твердых телах. Электронная структура атомов. Химическая связь и
валентность. Типы сил связи в конденсированном состоянии: Ван дер Ваальсова связь,
ионная связь, ковалентная связь, металлическая связь. Химическая связь и ближний
порядок. Структура вещества с ненаправленным взаимодействием. Примеры
кристаллических структур, отвечающих плотным упаковкам шаров: простая кубическая,
ОЦК, ГЦК, ГПУ, структура типа CsCl, типа NaCl, структура типа перовскита CaTiO3.
Основные свойства ковалентной связи. Структура веществ с ковалентными связями.
Структура веществ типа селена. Гибридизация атомных орбиталей в молекулах и
кристаллах. Структура типа алмаза и графита.
2. Симметрия твердых тел. Кристаллические и аморфные твердые тела. Трансляционная
инвариантность. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Ячейка Вигнера – Зейтца. Решетка Браве. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле.
Обратная решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна.
Элементы симметрии кристаллов:
повороты, отражения, инверсия, инверсионные повороты, трансляции. Операции (преобразования) симметрии.
Элементы теории групп, группы симметрии. Возможные порядки поворотных осей в кристалле. Пространственные и точечные группы (кристаллические классы). Классификация решеток Браве.
3. Дефекты в твердых телах. Точечные дефекты, их образование и диффузия. Вакансии
и межузельные атомы. Дефекты Френкеля и Шоттки. Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций в пластической деформации.
4. Дифракция в кристаллах. Распространение волн в кристаллах. Дифракция рентгеновских лучей, нейтронов и электронов в кристалле. Упругое и неупругое рассеяние, их особенности. Брэгговские отражения. Атомный и структурный факторы. Дифракция в
аморфных веществах.
5. Колебания решетки. Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов. Простая и сложная одномерные цепочки атомов. Закон дисперсии упругих волн.
Акустические и оптические колебания. Квантование колебаний. Фононы. Электронфононное взаимодействие.
6. Тепловые свойства твердых тел. Теплоемкость твердых тел. Решеточная теплоемкость. Электронная теплоемкость. Температурная зависимость решеточной и электронной
теплоемкости.
Классическая теория теплоемкости. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы в классической физике. Границы справедливости классической теории. Квантовая теория теплоемкости по Эйнштейну и Дебаю. Предельные
случаи высоких и низких температур. Температура Дебая. Тепловое расширение твердых
тел. Его физическое происхождение. Ангармонические колебания. Теплопроводность решеточная и электронная. Закон Видемана – Франца для электронной теплоемкости и теплопроводности.
7. Электронные свойства твердых тел. Электронные свойства твердых тел: основные
экспериментальные факты. Проводимость, эффект Холла, термоэдс, фотопроводимость,
оптическое поглощение. Трудности объяснения этих фактов на основе классической теории Друде. Основные приближения зонной теории. Граничные условия Борна – Кармана. Теорема Блоха. Блоховские функции. Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна. Энергетические
зоны. Брэгговское отражение электронов при движении по кристаллу. Полосатый спектр
энергии. Приближение сильно связанных электронов. Связь ширины разрешенной зоны с
перекрытием волновых функций атомов. Закон дисперсии. Тензор обратных эффективных
масс. Приближение почти свободных электронов. Брэгговские отражения электронов. Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность Ферми. Плотность состояний.
Металлы, диэлектрики и полупроводники. Полуметаллы.
8. Магнитные свойства твердых тел. Намагниченность и восприимчивость. Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Законы Кюри и Кюри – Вейсса. Парамагнетизм и
диамагнетизм электронов проводимости. Природа ферромагнетизма. Фазовый переход в
ферромагнитное состояние. Роль обменного взаимодействия. Точка Кюри и восприимчивость ферромагнетика. Ферромагнитные домены. Причины появления доменов. Доменные
границы (Блоха, Нееля). Антиферромагнетики. Магнитная структура. Точка Нееля. Восприимчивость антиферромагнетиков. Ферримагнетики. Магнитная структура ферримагнетиков. Спиновые волны, магноны. Движение магнитного момента в постоянном и переменном магнитных полях. Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный
резонанс.
9. Оптические свойства твердых тел. Комплексная диэлектрическая проницаемость и
оптические постоянные. Коэффициенты поглощения и отражения. Соотношения Крамерса-Кронига. Поглощения света в полупроводниках (межзонное, примесное поглощение,
поглощение свободными носителями, решеткой). Определение основных характеристик
полупроводника из оптических исследований. Магнитооптические эффекты (эффекты
Фарадея, Фохта, и Керра). Проникновение высокочастотного поля в проводник Нормальный и аномальный скин-эффекты. Толщина скин-слоя.
10. Сверхпроводимость. Сверхпроводимость. Критическая температура. Высокотемпературные сверхпроводники. Эффект Мейсснера. Критическое поле и критический ток.
Сверхпроводники первого и второго рода. Их магнитные свойства. Вихри Абрикосова.
Глубина проникновения магнитного поля в образец. Эффект Джозефсона. Куперовское
спаривание. Длина когерентности. Энергетическая щель.
11. Фазовыйсостав, структураметаллическихфаз и методыихизучения. Основные металлические фазы. Твердые растворы. Дальний и ближний порядок в твердых растворах.
Интерметаллиды. Карбиды, нитриды, бориды. Дифракционная картина от различных фаз.
Рентгеноструктурный и электроннографический анализ. Интерференционная картина и её
индексы. Влияние дефектов решетки на дифракционную картину. Размытие рентгеновских интерференций, смещение их координат и изменение интенсивности. Статические и
динамические смещения атомов. Дефекты упаковки. Дислокации.
12. Фазовыепревращения и границыраздела. Упорядоченные твердые растворы. Дальний и ближний порядок в расположении атомов твердых растворов. Параметры, характеризующие дальний и ближний порядок. Антифазные домены и антифазные границы в
сплавах со сверхструктурой L12. Энергия антифазных границ. Энергия упорядочения.
Границы зерен, общие и специальные границы. Миграция границ, скольжение по границам зерен. Взаимодействие границ с частицами второй фазы. Межфазные границы, когерентные, полукогерентные, некогерентные. Проблема энергии границ зерен и межфазных
границ. Диаграммы равновесия. Однофазные, двухфазные и многофазные области на диаграммах. Типы фазовых равновесий. Фазовые превращения и диффузионный массоперенос. Понятие о критических точках, точечных и двухфазных переходах. Фазовые переходы I-й и II-рода. Критические явления. Диффузионные и мартенситные превращения в
сплавах и сталях. Роль температуры, границ разделов, приложенных напряжений. Влияние дефектной структуры на фазовые превращения. Особенности зарождения и развития
вторичных фаз.
13. Воздействиеконцентрированнымипотокамиэнергии(лазерноеизлучение, ионные
и электронныепучки, γ-кванты). Дефектообразование и другие процессы при этих воз-
действиях. Имплантация. Формирование неравновесных состояний в твердых растворах.
Формирование недиаграммныхфазах, атомное перемешивание, испарение. Формирование
дислокационной структуры, эффект дальнодействия.
14. Деформационные дефекты в кристаллических материалах. Точечные дефекты.
Линейные деформационные дефекты. Планарные деформационные дефекты. Объемные
дефекты пластической деформации. Механизмы генерации точечных дефектов. Генерация
дислокаций. Дислокационные стенки. Механизмы аннигиляции дислокаций в процессе
пластической деформации кристалла. Рекомбинация деформационных дефектов. Диффузионные процессы и аннигиляция точечных дефектов.
15. Внутренние напряжения и их источники. Источники полей внутренних напряжений. Локальные и дальнодействующие поля напряжений. Неоднородность поля внутренних напряжений. Методы измерения поля внутренних напряжений. Сжимающие и растягивающие напряжения, скалывающие напряжения. Кривизна-кручение кристаллической
решетки.
16. Пластическое поведение металлов и сплавов. Упругая деформация. Микроскопическая неупругая деформация. Макроскопическая пластическая деформация. Макроскопическая пластическая деформация в результате скольжения по одной и нескольким системам скольжения.
17. Закономерности и механизмы пластической деформации. Активная деформация.
Ползучесть. Релаксация напряжений, усталость. Роль температуры и скорости деформации. Распространение пластической деформации. Активация источников дислокаций
расширяющейся дислокационной петли. Скорость распространения сдвиговых процессов
пластической деформации. Экспериментальные сведения по разрушению дальнего атомного порядка под воздействием пластической деформации в сплавах со сверхструктурой
L12. Изменение параметра дальнего порядка вблизи антифазных границ. Размытие антифазных границ. Понятие о термической активации. Кривые течения. Стадии деформации.
Дислокации. Компоненты дефектной среды деформированного кристалла. Сверхдислокации. Частичные дислокации. Зернограничные дислокации. Положительная и отрицательная температурные зависимости напряжения течения. Скольжение дислокаций, их переползание. Двойникование. Перемещение свободного объема. Фрагментация. Классификация субструктур. Эволюция дефектной структуры в процессе пластической деформации.
Формирование субструктур и их взаимопревращения. Роль неустойчивостей в дислокационной структуре. Зарождение и развитие микротрещин. Моделирование механизмов генерации деформационных дефектов, их аннигиляции и релаксации.
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1.
2.
3.
Аспирантская аудитория, снабженная принтерами, сканерами, ксероксами, суперкомпьютером и компьютерами с программнымипродуктами, с выходом в Интернет и в
локальную сеть Алтайского государственного технического университета.
Специализированные лекционные аудитории с мультимедийным оборудованием.
Научно-исследовательский центр с оборудованием, обеспечивающим возможность
выполнения аспирантами комплекса запланированных работ в соответствии с действующими санитарными и противопожарными нормами, а также с требованиями
техники безопасности.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ЛИТЕРАТУРА
7.1. Основная литература
Гольдаде В.А., Пинчук Л.С. Физика конденсированного состояния. Издательство:
Минск: Белорусская наука, 2009. – 648 с. Доступ из ЭБС Университетская библиотека
онлайн.
Попов В.А. Физика конденсированного состояния. Часть I: Учебное пособие. Издательство: Алт. госуд. технич. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул, 2015. – 265 с. Доступ
из ЭБС АлтГТУ.
Попов В.А. Физика конденсированного состояния. Часть 2: Учебное пособие. Издательство: Алт. госуд. технич. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул, 2015. – 407 с. Доступ
из ЭБС АлтГТУ.
7.2. Дополнительная литература
Епифанов Г.И. Физика твердого тела: учебное пособие. 4-е изд., испр. – Издательство
СПб.: Лань, 2011. – 288 с. Доступ из ЭБС Лань.
Попов В.А. Механические свойства материалов: Учебно-практическое пособие. Издательство: Алт. госуд. технич. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул, 2011. – 82 с. Доступ из
ЭБС АлтГТУ.
Попов В.А. Физические свойства материалов: Учебно-практическое пособие. Издательство: Алт. госуд. технич. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул, 2012. – 83 с. Доступ из
ЭБС АлтГТУ.
7.3 Учебно-методические пособия, методические указания аспирантам
Как написать и опубликовать статью в международном научном журнале: метод. рекомендации /сост. И.В. Свидерская, В.А. Кратасюк . – Красноярск: Сиб. федерал.ун-т,
2011. – 52 с.Доступ: http://index.petrsu.ru/files/Kak_napisat_i_opublikovat_statyu.pdf.