Kursplan för Fasta tillståndets fysik

Kursplan fastställd 2023-02-10 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnSolid state physics
  • KurskodTIF400
  • Omfattning6 Högskolepoäng
  • ÄgareTKTFY
  • UtbildningsnivåGrundnivå
  • HuvudområdeKemiteknik med fysik, Teknisk fysik
  • InstitutionFYSIK
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Svenska
  • Anmälningskod 57141
  • Max antal deltagare185
  • Blockschema
  • Sökbar för utbytesstudenterNej

Poängfördelning

0123 Laboration 1,5 hp
Betygsskala: UG
1,5 hp
    0223 Tentamen 4,5 hp
    Betygsskala: TH
    4,5 hp
    • 12 Jan 2024 fm J
    • 03 Apr 2024 fm J
    • 24 Aug 2024 em J

    I program

    Examinator

    Gå till kurshemsidan (Öppnas i ny flik)

    Behörighet

    Grundläggande behörighet för grundnivå
    Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

    Särskild behörighet

    Samma behörighet som det kursägande programmet.
    Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

    Kursspecifika förkunskaper

    Kurs i kvantfysik

    Syfte

    Fasta tillståndets fysik är en central del av modern fysik och kursen intar en given plats i tekniska fysik utbildningen. Inom fasta tillståndets fysik bedrivs en omfattande forskningsverksamhet vid Chalmers och många kurser erbjuds inom området. Denna kurs är generellt förkunskapgrundande för de mer avancerade kurserna.

    Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

    Lärandemål (efter fullgjord kurs skall studenten kunna):

    - Matematiskt beskriva olika kristallstrukturer och deras enhetsceller, bestämma deras reciproka gitter och andra relevanta parametrar, samt förstå hur dessa kan bestämmas experimentellt.

    - Beräkna vibrationsmoder i kristaller i den enkla fjäder-boll-modellen, deras kvantisering, och hur de bidrar till värmekapacitet. Kunna förklara skillnaden mellan akustiska och optiska gittervibrationer.

    - Beräkna grundläggande aspekter hos den fria elektrongasen och i en svag periodisk potential, samt beskriva kristallernas bandstruktur, villkor för halvledare och relaterade aspekter, så som elektroner/hål och deras effektiva massor.

    - Ge en kort översikt över olika experimentella metoder för materialkaraktärisering, vilka studenterna blir bekanta med genom kursens laborationer.

    Innehåll

    Kursen ger en översikt av fasta ämnens struktur och fysikaliska egenskaper, de experimentella metoder som utnyttjas för att kartlägga dessa och hur egenskaperna förklaras utgående från teoretiska modeller på en mikroskopisk nivå. 

    Inledningsvis beskrivs hur atomer är ordnade i rummet i kristallina ämnen och hur ordningen kan bestämmas via diffraktion av infallande strålning (röntgenljus, elektroner, neutroner) eller via direkt avbildande metoder.  Vid beskrivningen av diffraktion introduceras det reciproka gittret, som är ett väsentligt begrepp för förståelsen av de flesta av kristallina ämnens egenskaper. 

    I följande avsnitt behandlas vibrationsvågor och termiska egenskaper som härrör från dessa. 

    Kursen fortsätter med att behandla elektroniska egenskaper utgående först från frielektronmodellen  och därefter utgående från en beskrivning av en elektron i en periodisk potential, varvid bandstruktur och energigap introduceras. En viktig tillämpning är på intrinsiska och dopade halvledare.

    Kursen omfattar följande områden som tränas upp:

    - Matematiskt beskriva och definiera en enhetscell, en primitiv cell och Wigner-Seitz cellen i olika kristallstrukturer samt definiera kristallplan och deras Miller index.

    - Bestämma och beräkna gitterparametrar hos kristallstrukturer, samt beskriva hur de kan bestämmas, genom diffraktion.

    - Redogöra för den principiella skillnaden mellan röntgen-, neutron-, och elektron-diffraktion.

    - Beräkna det reciproka gittret till en kristall och beräkna strukturfaktorn for olika typer av strukturer samt beskriva Brillouinzoner.

    - Beräkna vibrationsmoder i kristaller i den enkla fjäder-boll-modellen, se att dessa är kvantiserade (fononer) och hur de bidrar till värmekapacitet. Kunna förklara skillnaden mellan akustiska och optiska gittervibrationer.

    - Beskriva och räkna på grundläggande aspekter hos den fria elektrongasen som ges av Fermi-Dirac-fördelningen med periodiska randvillkor, däribland redogöra för begreppen Fermisfär, Fermiyta, Fermivågtal, Fermienergi, Fermitemperatur.

    - Beskriva effekten av elektromagnetiska fält genom Drude-modellen för den komplexa konduktiviteten. Hur denna är relaterad till DC-konduktivitet, reflektivitet, brytningsindex, samt plasmaoscillationer. 

    - Härleda bandstrukturen från elektrongasmodellen i en svag periodisk potential, och med hjälp av modellen för tight-binding för enkla gitter; utifrån bandstrukturen sedan beskriva den grundläggande skillnaden mellan metaller och halvledare/isolatorer.

    - Redogöra för den grundläggande beskrivningen av intrinsiska och dopade halvledare, med lednings- och valensband, elektroner och hål, samt deras effektiva massor och den kemiska potentialen.

    Redogöra för Halleffekten och hur denna är relaterad till typen av laddningsbärare.

    Organisation

    Kursen omfattar föreläsningar, räkneövningar, fyra obligatoriska laborationer, OpenTA-uppgifter, en dugga och en skriftlig tentamen. Föreläsningarna belyser de viktigaste aspekterna av fasta tillståndets fysik och omfattar exempel på hur kunskapen tillämpas i olika sammanhang. Räkneövningarna ger ytterligare exempel. De fyra obligatoriska laborationerna ger praktisk erfarenhet av analysmetoder för bestämning av materialstruktur och egenskaper. OpenTA-uppgifterna stöttar arbetet med en kontinuerlig inlärning under kursen och duggan ger en avstämning ungefär halvvägs genom kursen. Uppgifterna på duggan är representativa för uppgifterna rörande den första hälften av kursen på den skriftliga tentamen.

    Litteratur


    P. Hofmann, Solid State Physics, An introduction. 3rd edition (Wiley-VCH, 2022)


    Fördjupningslitteratur: C Kittel: "Introduction to Solid State Physics", 8th (John Wiley and Sons, 2005)

    Examination inklusive obligatoriska moment

    Kursen avslutas med en skriftlig tentamen, bestående av numeriska problem samt beskrivande uppgifter. I kursen ingår en frivillig dugga och OpenTA-uppgifter som ger bonuspoäng till tentamen. Kursen innehåller också fyra obligatoriska laborationer. Laborationerna och den skriftliga tentamen är obligatoriska moment i kursen. Slutbetyget bestäms av totalpoäng (summan poäng på tentamen och bonuspoäng från Open TA-uppgifterna och duggan). Tentamen ger maximalt 100 poäng. En totalsumma av 50 poäng upp till 70 ger godkänt (dvs betyg 3), 70 och upp till 85 poäng ger betyg 4 och 85 poäng och mer ger betyg 5. Bonus på skriftlig tentamen från duggan är 40 % av poängen på duggan, dvs maximalt 20 bonuspoäng. Kursen har 6 Open TA-uppgifter som maximalt kan ge 6 bonuspoäng på tentamen.

    Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.