Διεξαγωγή μαθήματος

Ώρες Διδασκαλίας

Τρίτη 15:00-18:00, αιθ. A2 Επιστήμης Υπολογιστών

Ανακοινώσεις

• Έναρξη μαθημάτων την Τρίτη 7/2/2023.

Ύλη μαθήματος (από τον οδηγό σπουδών)

• Ανασκόπηση Δομικών Ιδιοτήτων
• Ανασκόπηση Κβαντομηχανικής
• Κίνηση Ηλεκτρονίων
• Ηλεκτρική αγωγιμότητα σε κρυσταλλικά συστήματα μετάλλων και κραμάτων, ηλεκτρική αγωγιμότητα σε κρυσταλλικά συστήματα ημιαγωγών, μονωτές.
• Οπτικές Ιδιότητες Υλικών
• Μαγνητικές Ιδιότητες Υλικών
• Υπεραγωγιμότητα

Διδακτέα ύλη

Γενική ανασκόπηση Φυσικής Συμπυκνωμένης Ύλης:
από τα άτομα (ιόντα-ηλεκτρόνια) 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 και αύξηση της ελάχιστης κινητικής ενέργειας.
  • Μέγεθος και ενέργεια των ατόμων.
  • Σχηματισμός μορίων και στερεών.
  • Κίνηση ιόντων – μικρές ταλαντώσεις.
  • Εκτίμηση βασικών μεγεθών και ιδιοτήτων των στερεών από απλές βασικές αρχές και διαστατική ανάλυση.

Ηλεκτρονικές, ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες των στερεών

• Ο τύπος Drude και το πρόβλημα της ηλεκτρικής αντίστασης.
• Περιοδικότητα και ταινιωτή δομή του ενεργειακού φάσματος: ζώνες και χάσματα.
• Μέταλλα, μονωτές και ημιαγωγοί.
• Μοντέλο (σχεδόν) ελεύθερων ηλεκτρονίων για μέταλλα
• Αγωγιμότητα
• Διηλεκτρική συνάρτηση
• Χρήση και ιδιότητες διηλεκτρικής συνάρτησης.
• Μοντέλο μηχανικών ταλαντωτών για αγωγιμότητα και διηλεκτρική συνάρτηση.
• Ηλεκτρόνια και οπές, φορείς στους ημιαγωγούς.
• Ενεργός μάζα φορέων σε ημιαγωγούς.
• Αγωγιμότητα ημιαγωγών.
• Ευκινησία και πυκνότητα φορέων.
• Αγωγιμότητα προσμίξεων και ενέργεια Fermi.
• Χρόνος ζωής φορέων στους ημιαγωγούς.

Μαγνητικές ιδιότητες των στερεών

• Εισαγωγή στο μαγνητισμό.
• Μακροσκοπικά μεγέθη και ατομική προέλευση μαγνητικών ροπών.
• 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.
• Βασική ιδέα της μικροσκοπικής θεωρίας υπεραγωγιμότητας (BCS).
• Εξίσωση London.

Μαθησιακά αποτελέσματα

Tο μάθημα απευθύνεται σε φοιτητές που ενδιαφέρονται να 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. Το μάθημα καλύπτει θέματα όπως την 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. Οι μαθησιακοί στόχοι που θα πρέπει να έχουν επιτευχθεί στο τέλος του μαθήματος είναι οι εξής:

1. Να καταλάβουν οι φοιτητές τα βασικά στοιχεία της κβαντικής θεωρίας των στερεών που απαιτείται για την περιγραφή των ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους.
2. Οι φοιτητές θα πρέπει να είναι σε θέση να διερευνούν την αλληλεπίδραση στερεών με ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
3. Να εξοικειωθούν οι φοιτητές 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 προχωρημένα μαθήματα.

Αξιολόγηση φοιτητών

Ο βαθμός του μαθήματος προκύπτει από την προαιρετική εξέταση προόδου (50%) και από την υποχρεωτική τελική εξέταση (50% αν ο βαθμός της είναι χειρότερος από το βαθμό της προόδου ή 100% αν ο βαθμός της είναι καλύτερος από το βαθμό της προόδου).

Βιβλιογραφία

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

Χρήσιμα αναγνώσματα

Οι σημειώσεις από τις διαλέξεις (e-class) καλύπτουν πλήρως τους μαθησιακούς στόχους του μαθήματος. Για συμπληρωματική μελέτη προτείνονται τα παρακάτω κεφάλαια από τη βιβλιογραφία.

Από

1. : Κεφ. 1, 2, 3, 6, (8), 9
2. : Κεφ. 6, (7), 8, 10, 14, 15
3. : Κεφ. 14
4. : Κεφ. 18, 21
5. : Κεφ. 30

Προτεινόμενες ασκήσεις

Οι ασκήσεις στο e-class είναι προαιρετικές.