Электронные свойства твердых тел

Магистратура 2019/2020

Лучший по критерию «Полезность курса для Вашей будущей карьеры»

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс по выбору (Физика)

Направление: 03.04.02. Физика

Кто читает: Базовая кафедра физики конденсированных сред Института физики твердого тела РАН

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 1-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Трунин Михаил Рюрикович

Прогр. обучения: Физика

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 48

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Целями освоения дисциплины «Электронные свойства твердых тел» являются: • формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных представлений в области физики конденсированных сред, • приобретение студентами навыков самостоятельной исследовательской работы, • формирование подходов, основанных на полученных знаниях, позволяющих проводить научные исследования и анализировать полученные результаты, • развитие умений, позволяющих развивать качественные и количественные физические модели электронных процессов в твердых телах.

Цель освоения дисциплины

формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных представлений в области физики конденсированных сред,
приобретение студентами навыков самостоятельной исследовательской работы,
формирование подходов, основанных на полученных знаниях, позволяющих проводить научные исследования и анализировать полученные результаты,
развитие умений, позволяющих развивать качественные и количественные физические модели электронных процессов в твердых телах.

Планируемые результаты обучения

знает фундаментальные понятия физики твердого тела: кинетика и динамика электронов в кристалле, электронные энергетические зоны, типы твердых тел, квазичастицы, электрические гальваномагнитные явления
знает и умеет пользоваться полученными знаниями для решения экспериментальных и теоретических задач, делать качественные выводы при получении новых результатов исследований, производить оценки параметров и характеристик материалов
владеет навыками постановки и моделирования физических задач по физике твердого тела; критической оценки применимости используемых методов; анализа результатов, получаемых в ходе научно-исследовательской работы, знает международные нормы проведения экспериментов -владеет актуальной информацией по внедрению технологий
совместно с другими студентами умеет оценить размерность твердотельной системы применительно к рассматриваемой задаче и в процессе работы определить последовательность действий и роли в коллективе для выполнения этого задания

Содержание учебной дисциплины

Электронные энергетические зоны. Кинетика и динамика электронов в кристаллической решетке
Электроны в металле. Поверхность Ферми и концепция почти свободных электронов. Характерные значения фермиевских параметров металлов. Понятие плотности состояний. Теплоемкость электронного газа. Концепция модели свободных электронов, длина свободного пробега. Предположения теории Друде. Статическая электропроводность металла. Теплопроводность металлов. Закон Видемана-Франца. Зонная теория. Периодический потенциал. Теорема Блоха. Квазиимпульс. Общие свойства энергетического спектра электронов в металле. Электроны в слабом периодическом потенциале. Метод сильной связи. Схемы расширенных, приведенных и повторяющихся зон. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Электронные спектры в двумерных системах, долинное расщепление и расщепление спектра из-за спин-орбитального взаимодействия (эффект Рашбы). Конуса Дирака (графит, графен). Топологические изоляторы и вейлевские полуметаллы. Квазиклассическая модель динамики электронов. Движение в постоянных электрическом и магнитном полях. Электроны и дырки. Эффективная масса. Циклотронная масса. Траектория движения в магнитном поле. Типы траекторий.
Кинетическое уравнение и процессы рассеяния
Понятие о рассеянии носителей заряда. Связь сечения рассеяния и вероятности рассеяния при упругом рассеянии. Кинетическое уравнение. Интеграл столкновений. Приближение времени релаксации. Обоснование  -приближения для интеграла столкновений при упругом рассеянии. Транспортное время релаксации. Малоугловое рассеяние, его связь с диффузией электронов по поверхности Ферми. Проводимость в постоянном электрическом поле. Сдвиг поверхности Ферми. Рассеяние на фононах. Матричный элемент электрон-фононного взаимодействия для деформационного потенциала. Законы сохранения энергии и импульса при электрон-фононном взаимодействии. Кинематика рассеяния в металлах и полупроводниках. Температурная зависимость проводимости при рассеянии на фононах. Высокие и низкие температуры. Формула Блоха-Грюнайзена. Процессы переброса. Межэлектронное рассеяние. Обоснование концепции квазичастиц для электронов и дырок. Температурная зависимость проводимости при межэлектронном рассеянии. Процессы переброса при межэлектронном рассеянии. Правило Матиссена. Рассеяние на дислокациях и на поверхности металла. Сопротивление границы раздела. Контакт Шарвина. Туннельное сопротивление и кулоновская блокада.
Кинетические свойства: электрические и гальваномагнитные явления
Магнитосопротивление. Тензор проводимости. Эффект Холла. Магнитосопротивление в двухзонной модели. Влияние формы поверхности Ферми на электросопротивление. Роль открытых траекторий. Электроны в сильном магнитном поле. Квазиклассическое квантование. Уровни Ландау. Вырожденность уровней. Распределение электронов. Плотность состояний в магнитном поле. Осцилляции термодинамических величин. Эффекты де Гааза-ван Альфена и Шубникова-де Гааза. Особенность 2D случая. Квантовый эффект Холла (целочисленный и дробный).
Проводники в постоянном магнитном и переменном полях. Высокочастотные методы измерений параметров поверхности Ферми
Нормальный скин-эффект. Аномальный скин-эффект. Циклотронный резонанс. Отсечка циклотронных резонансных орбит. Радиочастотные размерные эффекты Гантмахера. Поперечная фокусировка Цоя. Скачущие орбиты. Магнитные поверхностные уровни. Токовые состояния. Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением. Проводимость металлов от радио до оптических частот. Прозрачность в ультрафиолете. Временная и пространственная дисперсии. Механизмы затухания электромагнитных волн в металлах. Затухание Ландау. Распространение волн в присутствии магнитного поля. Примеры волн: геликоны, альфвеновские и циклотронные волны в металлах. Краевые магнитоплазмоны в 2D

Элементы контроля

контрольная работа
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.5 * контрольная работа + 0.5 * Экзамен

Программа дисциплины