01.04.07 – физика конденсированного состояния *

Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 7 июня 2007 г. № 108 *
 

Целью изучения материалов программы по специальности 01.04.07 – “Физика конденсированного состояния” является формирование у соискателей ученой степени углубленного знания и понимания основ физики конденсированного состояния, необходимых как для выполнения диссертационной работы, так и для последующей самостоятельной научной деятельности.

Задачей физики конденсированного состояния является изучение состава, структуры (в том числе и электронной), установление зависимости между ними (составом и структурой) и физическими свойствами материалов, в том числе под влиянием различных факторов (температура, деформация, облучение).

В результате изучения литературных источников, приведенных в программе, соискатель ученой степени должен владеть теоретическими аспектами вопросов, изложенных в ее разделах, знать экспериментальные методы и методики, используемые при исследовании свойств конденсированных систем, уметь планировать эксперимент и обрабатывать его результаты.

1. Введение

Предмет и задачи физики конденсированного состояния.

2. Структура твердых тел

2.1. Кристаллические и аморфные тела. Трансляционная симметрия. Элементарная ячейка. Решетки Браве. Точечные и пространственные группы симметрии. Обратная решетка.

2.2. Дефекты в кристаллах. Точечные дефекты, их образование и движение. Комплексы точечных дефектов. Краевые и винтовые дислокации. Вектор Бюргерса. Энергия дислокаций. Размножение дислокаций. Источник Франка-Рида. Движение дислокаций. Взаимодействие дислокаций. Дисклинации. Двумерные и трехмерные дефекты. Влияние радиационных, механических, термических воздействий на реальную структуру твердых тел.

2.3. Типы химической связи. Структурные и физические особенности ионных, ковалентных, металлических и молекулярных кристаллов. Плотнейшие упаковки.

2.4. Структура аморфных материалов. Модели структуры аморфных металлов. Металлические стекла. Элементы-неметаллы в аморфном состоянии. Двойные стеклообразующие соединения. Дефекты в металлических стеклах.

3. Атомная структура жидкостей

3.1. Радиальные функции распределения межатомных расстояний и атомной плотности. Функции распределения в статистической физике. Уравнение для бинарной функции распределения.

3.2. Сжиженные инертные газы. Сверхтекучесть. Жидкости с двухатомными молекулами. Жидкие металлы и сплавы. Ближний порядок. Бинарные расплавы. Структура воды и льда.

3.3.Жидкие кристаллы. Классификация жидких кристаллов. Количественное описание структуры жидких кристаллов.

4. Энергетический спектр твердых тел и жидкостей

4.1. Электронные состояния в кристаллах. Одноэлектронная модель. Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна. Теорема Блоха. Приближения сильной и слабой связи. Зонная структура диэлектриков, полупроводников металлов. Вырожденный электронный газ. Поверхность Ферми и плотность квантовых состояний. Электронная теплоемкость Тензор обратной эффективной массы. Электроны и дырки. Положение уровня химического потенциала в невырожденных полупроводниках.

4.2. Колебания решетки - фононы. Акустическая и оптическая моды колебаний решетки. Фононная теплоемкость твердых тел. Дебаевская частота и характеристическая температура. Фактор Дебая - Валлера. Ангармонизм и тепловое расширение.

4.3. Описание энергетического состояния кристалла при помощи газа квазичастиц. Примеры квазичастиц: фононы, магноны, экситоны, плазмоны и др. Электроны в металле как квазичастицы. Законы дисперсии квазичастиц. Статистика газа квазичастиц. Взаимодействие квазичастиц.

4.4. Электронные состояния в некристаллических твердых материалах. Границы применимости зонной модели кристаллических твердых тел. Зонная модель некристаллических твердых тел.

4.5. Электронная структура жидких металлов, полупроводников, изоляторов. Использование одноэлектронных функций Грина.

5. Кинетические явления в конденсированных системах

5.1. Кинетическое уравнение Больцмана. Интеграл столкновений. Время релаксации.

5.2. Электропроводность твердых тел. Концентрация и подвижность носителей тока в полупроводниках, влияние температуры. Температурная зависимость электросопротивления металлов и полупроводников. Влияние дефектов и примесей на электропроводность металлов и полупроводников. Электропроводность тонких пленок, размерные эффекты. Электрические свойства металлических стекол. Электропроводность жидкостей.

5.3. Соотношения Онзагера для процессов переноса. Термоэлектрические эффекты. Гальваномагнитные и термомагнитные эффекты.

5.4. Теплопроводность твердых тел. Решеточная и электронная теплопроводность. Теория Дебая и Пайерлса. Фонон-фононное рассеяние. Закон Видемана-Франца.

6. Диффузия

Математическое описание диффузии. Законы Фика. Механизмы диффузии. Диффузия в твердых растворах замещения и внедрения. Движущая сила диффузионного переноса. Диффузия в поле напряжений. Электроперенос. Диффузия в металлических стеклах. Методы определения коэффициента диффузии.

7. Механические, оптические и магнитные свойства твердых тел

7.1. Тензор упругих постоянных и упругая деформация. Пластичность кристаллов. Предел текучести. Упрочнение. Внутреннее трение. Упругие свойства металлических стекол. Пластичность металлических стекол.

7.2. Механизмы поглощения фотонов. Поглощение и пропускание. Поглощение свободными носителями. Решеточное поглощение. Многофононные процессы. Комбинационное рассеяние света в кристаллах. Поглощение связанными носителями. Правила отбора. Межзонные прямые и непрямые переходы. Экситоны. Фото-, электро- и катодолюминесценция. Время жизни возбужденных состояний электронов, флюоресценция. Безызлучательные электронные переходы в конденсированных системах. Показатель преломления и дисперсия света. Оптические свойства стекол.

7.3. Классификация магнетиков. Диамагнетизм. Теория Ланжевена. Диамагнетизм Ландау. Парамагнетизм. Учет пространственного квантования в классической теории парамагнетизма. Законы Кюри и Кюри-Вейсса для парамагнетиков. Парамагнетизм электронов проводимости. Ферромагнетизм. Теория Вейсса. Зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. Намагничивание ферромагнетиков во внешнем магнитном поле. Магнитный гистерезис. Обменное взаимодействие. Стенки Блоха и стенки Нееля. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Модель Изинга. Магнитная структура антиферромагнетиков в слабых и сильных магнитных полях. Кристаллическая и магнитная структура ферримагнетиков. Ферриты. Магнитные свойства металлических стекол.

8. Диэлектрики

Эффективное поле. Электрострикция и пьезоэлектричество. Пироэлектрики и сегнетоэлектрики. Электрический гистерезис. Аномалии физических свойств сегнетоэлектриков в области фазовых переходов. Антисегнетоэлектрики. Электреты. Диэлектрические свойства жидкостей.

9. Термодинамика и фазовые переходы

9.1. Равновесие фаз. Фазовые переходы I и II рода. Флуктуации. Твердые растворы и промежуточные фазы. Равновесие в многокомпонентных системах и правило фаз Гиббса. Фазовые диаграммы эвтектического типа, перитектического типа, с образованием химических соединений. Кинетика фазовых превращений. Диффузионные и бездиффузионные превращения.

9.2. Термодинамическое описание стеклообразного состояния. Термическая и структурная релаксация. Термодинамические функции и стеклообразование. Фазовые переходы и стеклообразование.

10. Сверхпроводимость

Основные свойства сверхпроводников. Эффект Мейсснера. Сверхпроводники I и II рода. Вихри и вихревые структуры. Основы микроскопической и термодинамической теорий. Куперовские пары. Энергетические щели и квазичастицы в сверхпроводнике. Туннельные эффекты в сверхпроводниках. Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Высокотемпературная сверхпроводимость.

11. Наноструктурные материалы

11.1. Общая характеристика. Зерна, слои и поры в консолидированных материалах. Дефекты, сегрегации, границы раздела. Металлические нанокластеры.

11.2. Углеродные наноструктуры: углеродные кластеры, фуллерены, углеродные нанотрубки. Применение углеродных наноструктур.

11.3. Свойства наноструктурированных материалов. Механические и электрические свойства. Фононный спектр. Оптические и магнитные свойства.

11.4. Квантовые ямы, проволоки и точки. Технология изготовления квантовых наноструктур.

12. Экспериментальные методы физики конденсированного состояния

Рентгенография: методы исследования идеальной и реальной структуры твердых тел и жидкостей. Электронография и электронная микроскопия. Атомная силовая микроскопия. Сканирующая туннельная микроскопия. Резерфордовское обратное рассеяние. Нейтронография: упругое и неупругое когерентное рассеяние, исследование магнитных структур и фононных спектров. Аннигиляция позитронов. Эффект Мессбауэра. Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс. Электрические, термоэлектрические и гальваномагнитные измерения как методы изучения электронной структуры кристаллов. Оптические методы исследования; возможности, связанные с использованием лазерных источников света. Наноиндентирование.

Список литературы:

  1. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. – М., Наука, 1987. – 520 с.
  2. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. – М., Academia, 2005. – 188 c.
  3. 3 Анималу А. Квантовая теория кристаллических твердых тел. – М., Мир. 1981. – 574 с.
  4. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. – М., Металлургия, 1978. – 248 с.
  5. Вакс В.Г. Межатомное взаимодействие и связь в твердых телах. – М., АТ, 2002. –255 с.
  6. Вонсовский С.В. Магнетизм. – М., Наука, 1984. –208 с.
  7. Горбачев В.В., Спицына Л.Г. Физика полупроводников и металлов. – М., Металлургия, 1982. – 336 с.
  8. Займан Дж. Принципы теории твердого тела. –М., Мир, 1974. – 472 с.
  9. Келли А., Гровс Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах. – М., Мир, 1974. – 496 с.
  10. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – М., Наука. 1978. – 791 с.
  11. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. – Изд. МГУ, 1985. – 336 с.
  12. Крокстон К. Физика жидкого состояния. Статистическое введение. – М., Мир, 1978. – 400 с.
  13. Маделунг О. Теория твердого тела. – М., Наука. 1980. – 416 с.
  14. Металлические стекла. Вып.II. Под ред.Г.Бека и Г.Гюнтерродта. – М., Мир, 1986. – 376 с.
  15. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. – М., Высш.школа, 2000. – 494 с.
  16. Пул Ч., Оуэнс Ф. Мир материалов и технологий. Hанотехнологии. – М., Техносфера, 2005. – 215 с.
  17. Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики. – М., Наука, 1979. – 639 с.
  18. Современная кристаллография. Под ред. Б.К.Вайнштейна. – М., Наука, 1979-1981 (4 тома). .– 383 с. + 359 с. + 407 с. + 495 с.
  19. Скрышевский А.Ф. Структурный анализ жидкостей и аморфных тел. – М., Высшая школа, 1980. –328 с.
  20. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. – М., Металлургия, 1982. – 631 с.
  21. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. – М., Мир, 1986. – 556 с.
  22. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. – М., Атомиздат, 1972. – 599 с.

Дополнительная литература:

  1. Блэйкмор Дж. Физика твердого состояния. – М., Металлургия, 1972. – 432 с.
  2. Давыдов А.С. Теория твердого тела. – М., Наука. 1976. – 631 с.
  3. Дорош А.К. Структура конденсированных систем. – Львов. Вища школа. Изд-во при Львов. унив-те, 1981. – 175 с.
  4. Лихачев В.А, Хайров Р.Ю. Введение в теорию дисклинаций. – Ленинград, изд. ЛГУ, 1975. – 183 с.
  5. Маделунг О. Физика твердого тела. Локализованные состояния. – М., Наука, 1985. – 184 с.
  6. Суздалев И.П. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М., КомКнига, 2006. – 592 с.
  7. Точечные дефекты в твердых телах. Сборник статей. – М., Мир, 1979. – 379 с.
  8. Федосов С.А., Пешек Л. Определение механических свойств материалов микроиндентированием. – М., Физический факультет МГУ, 2004. – 100 с.
  9. Шульце Г. Металлофизика. – М., Мир, 1971. – 503 с.