Διδασκόμενη ύλη

Θεμελιώδεις έννοιες στην φυσική στερεάς κατάστασης: από τα άτομα στα στερεά

• Οι καταστάσεις ισορροπίας σαν ελάχιστο της ενέργειας: δυναμική ενέργεια Coulomb – κβαντική κινητική ενέργεια.
• Αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg και ελάχιστη κινητική ενέργεια, απαγορευτική αρχή του Pauli.
• Μέγεθος και ενέργεια των ατόμων.
• Σχηματισμός μορίων και στερεών.
• Εκτίμηση βασικών μεγεθών και ιδιοτήτων των στερεών από θεμελιώδεις αρχές και διαστατική ανάλυση.
• Σύντομη ανασκόπηση ατομικής δομής, δεσμών, κρυσταλλικών πλεγμάτων και ιδιοτήτων στερεών.
• Κίνηση ιόντων – μικρές ταλαντώσεις.

Ηλεκτρονικές, ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες των στερεών

• Το πρόβλημα της ηλεκτρικής αντίσταση και αγωγιμότητας, κλασικός τύπος Drude.
• Αδιαβατική (Born-Oppenheimer), ανεξάρτητων σωματιδίων, αρμονική προσέγγιση.
• Περιοδικότητα, θεώρημα του Bloch, προέλευση ενεργειακών ζωνών και χασμάτων, μέταλλα, μονωτές και ημιαγωγοί.
• Μονοδιάστατοι «κρύσταλλοι», αλυσίδα κλασικών, συζευγμένων αρμονικών ταλαντωτών και ζώνες φωνονίων.
• Γραμμικός συνδυασμός ατομικών τροχιακών, από το διατομικά μόριο στο μονοδιάστατο μοντέλο ισχυρής δέσμευσης, αναλογία με συζευγμένους αρμονικούς ταλαντωτές, ζώνες και χάσματα για περισσότερα από ένα τροχιακά ανά άτομο, διατομική μοναδιαία κυψελίδα.
• Ηλεκτρόνια σε ζώνη αγωγιμότητας, μοντέλο ελεύθερων ηλεκτρονίων, ενέργεια Fermi, συνολική (κινητική) ενέργεια, πυκνότητα καταστάσεων, ημικλασική θεωρία αγωγιμότητας συνεχούς ρεύματος μετάλλων.
• Αγωγιμότητα ημιαγωγών, ηλεκτρόνια και οπές, ενεργός μάζα, ευκινησία και συγκέντρωση φορέων, εξάρτηση από θερμοκρασία, χημικό δυναμικό και ενέργεια Fermi.
• Εξωγενής αγωγιμότητα ημιαγωγών, προσμίξεις δότες, δέκτες, θέση ενέργειας Fermi σε εξωγενείς ημιαγωγούς. εξάρτηση από θερμοκρασία, χρόνος ζωής φορέων.
• Απόκριση υλικών σε ηλεκτρομαγνητικά πεδίο, διηλεκτρική συνάρτηση, μοντέλο μηχανικών ταλαντωτών για αγωγιμότητα και διηλεκτρική συνάρτηση, χρήση και ιδιότητες διηλεκτρικής συνάρτησης.

Μαγνητικές ιδιότητες των στερεών

• Μακροσκοπικά μεγέθη και ατομική προέλευση μαγνητικών ροπών, τροχιακή στροφορμή και σπιν, μαγνητική ροπή ατόμου ή ιόντος, κανόνες Hund.
• Διαμαγνητικά, παραμαγνητικά, σιδηρομαγνητικά, αντισιδηρομαγνητικά και σιδηριμαγνητικά υλικά.
• Διαμαγνητική επιδεκτικότητα (Langevin).
• Παραμαγνητική επιδεκτικότητα στερεών, νόμος Curie, παραμαγνητική επιδεκτικότητα ηλεκτρονίων αγωγιμότητας.
• Προσέγγιση μέσου πεδίου για σιδηρομαγνητισμό, νόμος Curie-Weiss.
• Αντισιδηρομαγνητισμός, σιδηριμαγνητισμός.

Υπεραγωγιμότητα

• Εισαγωγή, μακροσκοπική περιγραφή και φαινομενολογία της υπεραγωγιμότητας.
• Υπεραγώγιμα υλικά και κρίσιμες θερμοκρασίες.
• Μηδενισμός ηλεκτρικής αντίστασης.
• Μηδενισμός μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό υπεραγωγού (φαινόμενο Meissner).
• Κρίσιμο μαγνητικό πεδίο σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας.
• Στοιχεία μικροσκοπικής θεωρίας υπεραγωγιμότητας (BCS).
• Εξίσωση London.

Ιστοσελίδα μαθήματος

Το eclass του μαθήματος.

Μαθησιακά αποτελέσματα

Οι φοιτητές με το πέρας του μαθήματος αναμένεται να:

1. Κατανοήσουν την σχέση της ατομικής και ηλεκτρονικής δομής με τις μακροσκοπικές ιδιότητες των στερεών υλικών καθώς και των ιδιοτήτων που τα καθιστούν απαραίτητα στην σύγχρονη τεχνολογία.
2. Γνωρίζουν την γενική σχέση της διάταξης των ατόμων με την ηλεκτρονική δομή (ηλεκτρονικές ενεργειακές καταστάσεις, ζώνες και χάσματα), πώς αυτή καθορίζει αγωγούς, ημιαγωγούς και μονωτές, την αλληλεπίδραση των υλικών με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
3. Καταλάβουν τα βασικά στοιχεία της κβαντικής θεωρίας των στερεών που απαιτείται για την περιγραφή των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων τους.
4. Εξοικειωθούν με τις σημαντικότερες πλευρές των ηλεκτρονικών, οπτικών, μαγνητικών ιδιοτήτων των υλικών ώστε να μπορούν να καταλάβουν την σχεδίαση και λειτουργία ηλεκτρονικών και μαγνητικών διατάξεων σε πιο εξειδικευμένα μαθήματα.

Το μάθημα σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό Πλαίσιο Προσόντων Δια Βίου Μάθησης είναι επιπέδου 6 ως μάθημα πρώτου κύκλου σπουδών.

Μέθοδοι Aξιολόγησης

Η αξιολόγηση των φοιτητών γίνεται με προαιρετική γραπτή εξέταση προόδου στο μέσο του εξαμήνου και υποχρεωτική τελική γραπτή εξέταση ανάπτυξης θεμάτων στα ελληνικά, που περιλαμβάνει ερωτήσεις και επίλυση προβλημάτων.

Οι φοιτητές έχουν το δικαίωμα να δουν το γραπτό τους μετά την έκδοση των αποτελεσμάτων βαθμολόγησης και να υποβάλουν ερωτήσεις.

Βιβλιογραφία

• Ε.Ν. Οικονόμου, Φυσική Στερεάς Κατάστασης, Τόμος Ι, Μέταλλα, Ημιαγωγοί, Μονωτές, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης , Ηράκλειο (1997).
• C. Kittel, Εισαγωγή στη Φυσική Στερεάς Καταστάσεως, 5η έκδοση, Εκδόσεις Πνευματικού, Αθήνα (1979).
• Ε.Ν. Οικονόμου, Φυσική Στερεάς Κατάστασης, Τόμος ΙΙ, Τάξη, Αταξία, Συσχετίσεις, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο (2003).
• Σ. Τραχανά, Κβαντομηχανική I: Θεμελιώδεις Αρχές, Απλά Συστήματα, Δομή της Ύλης. Μια Βασική Εισαγωγή για Φυσικούς, Χημικούς και Μηχανικούς, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Kρήτης, Ηράκλειο (2005).
• W.D. Callister, Jr., Επιστήμη και Τεχνολογία των Υλικών, 5η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη (2004).
• I. Harald, L. Hans, Φυσική Στερεάς Κατάστασης, Εισαγωγή στις Αρχές της Επιστήμης των Υλικών, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη (2012).
• P. Robert, Electrical and Magnetic Properties of Materials, Artech House, Norwood MA (1988).
• W.A. Harrison, Electronic Structure and the Properties of Solids: The Physics of the Chemical Bond, Dover, New York (1989).
• R.C. O’ Handley, Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, Wiley (2000).