Đề cương môn học Đại Học Quốc Gia TP HCM Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Công nghệ Vật liệu Vietnam National University – HCMC Ho Chi Minh City University of Technology Faculty of Materials Technology Đ[.]
Đại Học Quốc Gia TP.HCM Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Công nghệ Vật liệu Vietnam National University – HCMC Ho Chi Minh City University of Technology Faculty of Materials Technology Đề cương môn học VẬT LÝ CHẤT RẮN (SOLID STATE PHYSICS) Số tín (2.1.4) MSMH Số tiết Tổng: 45 Tỉ lệ đánh giá Hình thức đánh giá BT: 15% TN: KT: 25% BTL/TL: - Kiểm tra: tự luận, trắc nghiệm, vấn đáp, 60 phút - Thi: trắc nghiệm, tự luận, 90 phút LT: 30 TH: 15 TN: BTL/TL: Thi: 60% Môn tiên Môn học trước Vật lý Môn song hành Cơ sở khoa học vật liệu CTĐT ngành Trình độ đào tạo Kỹ thuật Vật liệu Đại học Cấp độ môn học Ghi khác Mục tiêu môn học Môn học giới thiệu nguyên lý Vật lý Chất rắn dành cho sinh viên có kiến thức sở Cơ học Lượng tử Vật lý Nguyên tử chương trình Vật lý Đại cương Những vấn đề liên quan đến trình vận động mạng tinh thể khảo sát, xuất phát từ tính chất tuần hồn tịnh tiến Từ rút tính chất nhiệt, điện quang chất rắn Aims: This course introduces the basic principles of Solid State Physics for student who already have basic knowledge of Quantum Mechanics and Atomic Physics in General Physics program The issues related to the movement processes in crystal lattice are studied, derived from translation periodic property, from which to draw the thermal, electrical and optical properties of solids Nội dung tóm tắt mơn học: Mạng đảo, lan truyền sóng, khí điện tử tự kim loại, cấu trúc vùng lượng, phonon, tính chất điện, nhiệt quang chất rắn, vận chuyển điện tử – lỗ trống, chất bán dẫn Course outline: Reciprocal lattice, wave propagation, free electron gas in metal, energetic band structure, phonon, electrical, thermal and optical properties of solids, the transport of electrons – holes, semiconductor 1/9 Tài liệu học tập Sách, Giáo trình chính: [1] Cơ Sở Vật lý chất rắn – Đào Trần Cao [2] Solid State Physics – Ashcroft, Neil W, Mermin, David N [3] Solid State Physics – An Introduction to Principles of Materials Science – Harald Ibach, Hans Luth [4] Introduction to Solid State Physics – Charles Kittel Hiểu biết, kỹ năng, thái độ cần đạt sau học môn học STT L.O.1 L.O.2 L.O.3 L.O.4 L.O.5 Chuẩn đầu môn học Mô tả loại cấu trúc tinh thể khác dựa mạng tinh thể sở bao gồm nguyên tử L.O.1.1 – Hiểu tính chất tuần hồn tịnh tiến, khái niệm ô đơn vị, ô nguyên tố L.O.1.2 – Xác định cấu trúc tinh thể, mật độ nguyên tử số miller Xây dựng lý thuyết nhiễu xạ tia X hình thức luận mạng đảo (không gian k) áp dụng kiến thức để tổng quát hóa sóng vật chất L.O.2.1 – Xây dựng mạng đảo rút tính chất L.O.2.2 – Mơ tả tượng nhiễu xạ tia X, định luật Bragg L.O.2.3 – Rút dạng phương trình mơ tả nhiễu xạ tia X L.O.2.4 – Các phương pháp thực nghiệm xác định cấu trúc tinh thể Xây dựng lý thuyết dao động mạng (phonon) sử dụng để xác định tính chất nhiệt chất rắn L.O.3.1 – Hiểu tính chất modes dao động mạng tinh thể từ mơ hình mạng chiều tổng quát hóa cho mạng 3D L.O.3.2 – Lập luận lượng tử hóa sóng đàn hồi, động lượng phonon L.O.3.3 – Rút tính chất nhiệt tinh thể (nhiệt dung, độ dẫn nhiệt) Dẫn mơ hình điện tử tự cho thấy dùng để giải thích nhiều tính chất kim loại L.O.4.1 – Xây dựng mơ hình khí điện tử tự Fermi, hàm Fermi L.O.4.2 – Dẫn biểu thức nhiệt dung khí điện tử L.O.4.3 – Mô tả chuyển động điện tử trường điện từ, độ dẫn điện định luận Ohm Xây dựng toán điện tử trường tuần hoàn kiểm tra hệ cấu trúc vùng lượng chất rắn L.O.5.1 – Hiểu hình thành vùng lượng hệ phủ hàm sóng tính chất tuần hồn tịnh tiến 2/9 CDIO 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.2.12 2.1, 2.2 1.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.1.2 2.2.2 2.1, 2.3 1.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.3.1 1.1.2 1.1, 1.2, 2.1 1.1.2 1.2.5 2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.1, 2.1 2.1.2 2.1.3 L.O.6 L.O.7 STT L.O.1 L.O.2 L.O.3 L.O.4 L.O.5.2 – Mô tả phép gần điện tử Biểu diễn định lý Bloch L.O.5.3 – Giải thích hiệu ứng mạng vận động điện tử chất rắn theo quan điểm mơ hình điện tử gần tự điện tử liên kết chặt Giải thích tính chất chất bán dẫn liên hệ chúng với linh kiện bán dẫn đơn giản L.O.6.1 – Hiểu khái niệm khối lượng hiệu dụng điện tử, chất tính chất lỗ trống L.O.6.2 – Dẫn biểu thức mật độ điện tử lỗ trống điều kiện cân nhiệt bán dẫn tinh khiết bán dẫn tạp chất L.O.6.3 – Mô tả sơ đồ vùng lượng bán dẫn, mức Fermi, mức tạp chất donor mức tạp chất acceptor Áp dụng kiến thức nhận để lựa chọn vật liệu chất rắn có tính chất mong muốn L.O.7.1 – Chỉ diện loại vật liệu linh kiện hay phần tử Giải thích chúng sử dụng L.O.7.2 – Đánh giá vấn đề cịn tồn mơ hình lý thuyết chất rắn L.O.7.3 – Mở rộng áp dụng lý thuyết cho đối tượng khác nằm mơ tả giáo trình L.O.7.4 – Tìm hiểu vấn đề tính chất cấu trúc chất rắn Course learning outcomes Describe different types of crystal structures in terms of the crystal lattice and the basis of constituent atoms L.O.1.1 – Understand translational symmetry, the concepts of unit cells L.O.1.2 – Determine the crystal structure, the density of atoms and the Miller indices of a crystal Formulate the theory of X-ray diffraction in the reciprocal lattice (kspace) formalism and apply this knowledge to generalize the formulation for matter waves L.O.2.1 – Formulate reciprocal lattice and derive its properties L.O.2.2 – Describe X-ray diffraction, Bragg's Law L.O.2.3 – Derive the equations for X-ray diffraction L.O.2.4 – Describe applied methods for determining crystal structure Formulate the theory of lattice vibrations (phonons) and use that to determine thermal properties of solids L.O.3.1 – Understand the basic features of the coupled modes of oscillation of atoms in a crystal lattice using the one-dimensional chain as a model and generalize it for 3D lattice L.O.3.2 – Discuss about quantization of elastic waves, phonon momentum L.O.3.3 – Derive the thermal properties of crystals (specific heat, thermal conductivity) Derive the free electron model and show how this can provide an 3/9 1.1.2 1.2, 2.1 1.2.5 2.1.2 2.1.3 2.2, 2.3, 2.4 2.2.2 2.3.3 2.3.4 2.4.4 CDIO 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.2.12 2.1, 2.2 1.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.1.2 2.2.2 2.1, 2.3 1.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.3.1 1.1.2 1.1, 1.2, explanation for many features of metallic behaviour L.O.4.1 – Formulate free electron Fermi gas, Fermi-Dirac distribution L.O.4.2 – Derive the equation of heat capacity of the electron gas L.O.4.3 – Describe the motion of electron in electromagnetic fiels, electrical conductivity and Ohm's Law L.O.5 L.O.6 L.O.7 Formulate the problem of electrons in a periodic potential, examine its consequence on the band-structure of the solid L.O.5.1 – Understand the formation of energy bands as consequences of wave function overlap and translational symmetry L.O.5.2 – Describe the one electron approximation Express the Bloch theorem L.O.5.3 – Explain the effect of the lattice on the behaviour of electrons in solids both from the point of view of the nearly-free electron model and the tight-binding model Explain the basic features of semiconductors and relate this to simple semiconductor devices L.O.6.1 – Understand the effective mass of electron; the nature and properties of holes L.O.6.2 – Derive the expression for electron and hole concentration in thermal equilibrium L.O.6.4 – Describe band structure of semiconductor, Fermi level, donor and acceptor levels Apply the knowledge obtained to make a judicious choice of a solid in terms of its desired property L.O.7.1 – Identify the materials encountered in the course in a representative modern device/component, analyze why these are used L.O.7.2 – Evaluate the current status of theoretical model of Solid State Physics, what added knowledge is obtained and what draw-backs still remain L.O.7.3 – Generalize the formulation for other objects outside of the course L.O.7.4 – Discussion of new problems in properties and structures of solids 2.1 1.1.2 1.2.5 2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.1, 2.1 2.1.2 2.1.3 1.1.2 1.2, 2.1 1.2.5 2.1.2 2.1.3 2.2, 2.3, 2.4, 3.3, 4.1 2.2.2 2.3.3 2.3.4 2.4.4 3.3.1 4.1.2 4.1.5 Hướng dẫn cách học - chi tiết cách đánh giá môn học Tài liệu đưa lên BKEL hàng tuần Sinh viên tải về, in mang theo lên lớp học Điểm tổng kết mơn học đánh giá xun suốt q trình học Bài tập: 15% Thí nghiệm: Kiểm tra: 25% Bài tập lớn/Tiểu luận: Thi: 60% Điều kiện dự thi: Hoàn tất tập giao 4/9 Dự kiến danh sách Cán tham gia giảng dạy Nội dung chi tiết Tuần / Chương Nội dung Chuẩn đầu chi tiết Hoạt động dạy học Thầy/Cô: - Tự giới thiệu - Tổng hợp danh sách Giới thiệu môn học Vật lý chất rắn - Thông tin Thầy/Cô - Các vấn đề liên quan đến môn học - Cách thức dạy học - Giới thiệu môn học tầm quan trọng L.O.7.1 – Chỉ diện loại vật liệu linh kiện hay phần tử Giải thích chúng sử dụng Sinh viên: - Ghi nhận thông tin liên quan đến môn học Thầy/Cô: - Giới thiệu lướt qua đề cương mơn học - Giải thích mục đích tầm quan trọng mơn học - Nêu ví dụ ứng dụng Vật lý chất rắn nghiên cứu vật liệu Hoạt động đánh giá Bài tập nhà GHW #1 Về nhà: - Cung cấp tài liệu tham khảo, chuyển lên website Sinh viên: - Thảo luận cách đánh giá môn học Các tính chất tinh thể chất rắn - Tính chất tuần hồn tịnh tiến mạng tinh thể - Mạng Bravais vec tơ sở - Ô đơn vị ô nguyên tố, ổ Wigner-Seitz - Các phép đối xứng, cấu trúc mạng - Chỉ số Miller L.O.1.1 – Hiểu tính chất tuần hồn tịnh tiến, khái niệm đơn vị, nguyên tố L.O.1.2 – Xác định cấu trúc tinh thể, mật độ nguyên tử số miller 5/9 Về nhà: - Tìm ví dụ ứng dụng Vật lý chất rắn công nghệ vật liệu Thầy/Cô: - Trình bày slide chương Sinh viên: - Thảo luận sở mạng tinh thể - Hiểu khác biệt ô đơn vị ô nguyên tố - Nắm cách biểu diễn mạng vec tơ sở Thầy/Cơ: - Trình bày phép đối xứng tinh thể, 14 mạng Bravais không gian - Hướng dẫn sinh viên thiết lập số Miller - Các loại mạng lập phương lục giác Bài tập lớp AIC #1, Bài tập lớp AIC #3, Bài tập nhà GHW #2 - Xét cấu trúc: NaCl, CeCl, Zincblende Nhiễu xạ tia X - Mạng đảo Các tính chất ý nghĩa mạng đảo - Nhiễu xạ tia X Định luật Bragg - Phương trình nhiễu xạ tia X Lý thuyết Laue Hình cầu Ewald - Các vùng Brillouin - Các hệ số tán xạ - Phương pháp xác định cấu trúc tinh thể L.O.2.1 – Xây dựng mạng đảo rút tính chất L.O.2.2 – Mơ tả tượng nhiễu xạ tia X, định luật Bragg L.O.2.4 – Các phương pháp thực nghiệm xác định cấu trúc tinh thể L.O.7.3 – Mở rộng áp dụng lý thuyết cho đối tượng khác nằm ngồi mơ tả giáo trình Dao động mạng tinh thể Bài tập lớp AIC #5 Bài tập nhà GHW #3 Sinh viên: - Hiểu ý nghĩa vật lý mạng đảo L.O.2.3 – Rút dạng phương trình mô tả nhiễu xạ tia X Sinh viên: - Làm tập lớp xác định cấu trúc mạng, số Miller, mật độ nguyên tử Thầy/Cơ: - Xây dựng mạng đảo từ tính chất tuần hoàn tịnh tiến tinh thể - Chứng minh tính chất mạng đảo - Vùng Brillouin thứ Minh họa cho trường hợp chiều chiều L.O.3.1 – Hiểu tính chất modes dao 6/9 Thầy/Cô: - Nhắc lại lý thuyết nhiễu xạ ánh sáng công thức Braggs điều kiện nhiễu xạ tinh thể - Các nhận xét nhiễu xạ Bragg tinh thể Sinh viên: - Ôn lại nhiễu xạ ánh sáng Thầy/Cơ: - Trình bày phương trình nhiễu xạ Bragg dựa mạng đảo - Nêu phương trình Laue - Mơ tả phương pháp hình cầu Ewald - Mơ tả vùng Brillouin Sinh viên: - Cần phải nắm dạng biểu diễn khác điều kiện nhiễu xạ Bragg Thầy/Cơ: - Trình bày hệ số tán xạ cấu trúc hệ số tán xạ nguyên tử Các ví dụ áp dụng - Các kỹ thuật xác định cấu trúc tia X Sinh viên: - Tìm thêm ứng dụng khác tia X - Mở rộng lý thuyết loại sóng khác Thầy/Cơ: - Nhắc lại dao động điều Bài tập lớp AIC #6 Bài tập nhà GHW #4 Bài tập nhà GHW #5 Bài tập lớp AIC #7 Bài tập nhà GHW #6 Bài tập lớp AIC #8 - Dao động đàn hồi môi trường liên tục - Vận tốc nhóm đồn sóng điều hịa - Sóng mạng nguyên tử chiều - Mạng nguyên tử chiều - Phonons - Phân bố Planck - Nhiệt dung mạng tinh thể: mơ hình Einstein mơ hình Debye - Độ dẫn nhiệt động mạng tinh thể từ mơ hình mạng chiều tổng qt hóa cho mạng 3D hịa, sóng Vận tốc pha vận tốc nhóm - Xét dao động từ trường hợp mạng chiều tổng quát hóa cho mạng chiều Nhấn mạnh modes dao động mạng Bài tập nhà GHW #7 Sinh viên: L.O.3.2 – Lập luận lượng tử hóa sóng đàn hồi, động lượng phonon - Ơn lại kiến thức dao động sóng Thầy cô: - Nhắc lại khái niệm lượng tử hóa - Lập luận phonons - Các vùng Brillouin Sinh viên: - Ôn lại kiến thức cũ: tượng tán sắc, lan truyền sóng âm - Hiểu việc mô tả vận động chất rắn không gian đảo - Đọc thêm tán xạ không đàn hồi phonons Thầy cô: - Nhắc lại phân bố Planck - Trình bày lý thuyết nhiệt dung Einstein Debye - Đưa vào khái niệm mật độ trạng thái - Dẫn công thức độ dẫn nhiệt Bài tập nhà GHW #8 L.O.3.3 – Rút tính chất nhiệt tinh thể (nhiệt dung, độ dẫn nhiệt) L.O.7.4 – Discussion of new problems in properties and structures of solids Khí điện tử tự Fermi - Các mức lượng giếng chiều - Hàm phân bố Fermi-Dirac - Khí điện tử tự khơng gian chiều - Nhiệt dung khí điện tử - Độ dẫn điện định luật Ohm L.O.4.1 – Xây dựng mơ hình khí điện tử tự Fermi, hàm Fermi L.O.4.2 – Dẫn biểu thức nhiệt dung khí điện tử 7/9 Sinh viên: - Tìm tài liệu đọc thêm tán xạ tia X ánh sáng photon Thầy cô: - Nhắc lại học lượng tử, toán hạt giếng chiều - Giới thiệu vấn đề thống kê hệ hạt đồng - Dẫn công thức lượng Fermi, mật dộ trạng thái điện tử Sinh viên: - Ôn lại kiến thức học lượng tử Thầy cơ: - Trình bày nhiệt dung khí điện tử, nhiệt dung kim loại Bài tập nhà GHW #9 Bài tập nhà GHW #10 Bài tập nhà GHW #11 L.O.4.3 – Mô tả chuyển động điện tử trường điện từ, độ dẫn điện định luận Ohm Thầy cơ: - Nêu phương trình chuyển động điện tử tác dụng lực Lorentz - Dẫn biểu thức độ dẫn điện Bài tập nhà GHW #12 Sinh viên: Lý thuyết vùng lượng - Nguyên lý hình thành vùng lượng - Gần điện tử - Hàm Bloch - Phép gần điện tử gần tự - Phép gần điện tử liên kết chặt - Các mặt đẳng mặt Fermi L.O.5.1 – Hiểu hình thành vùng lượng hệ phủ hàm sóng tính chất tuần hồn tịnh tiến L.O.7.2 – Đánh giá vấn đề tồn mơ hình lý thuyết chất rắn Bán dẫn - Vùng cấm - Phương trình chuyển động điện tử - Lỗ trống - Khối lượng hiệu Bài tập lớp AIC #8 Sinh viên: - Ôn lại phổ lượng điện tử nguyên tử phân tử L.O.5.2 – Mô tả phép gần điện tử Biểu diễn định lý Bloch L.O.5.3 – Explain the effect of the lattice on the behaviour of electrons in solids both from the point of view of the nearlyfree electron model and the tight-binding model - Ôn lại kiến thức định luật Ohm, biểu thúc vec tơ mật độ dòng điện Thầy cơ: - Trình bày ngun lý hình thành vùng lượng - Giải thích tính chất dẫn điện kim loại, bán dẫn điện môi dựa vào cấu trúc vùng lượng L.O.6.1 – Hiểu khái niệm khối lượng hiệu dụng điện tử, chất tính chất lỗ trống 8/9 Thầy cơ: - Trình bày phép gần điện tử - Định lý Bloch ý nghĩa vật lý Sinh viên: - Q&A - Xem lại khái niệm vùng Brillouin Thầy cô: - Giải toán phép gần điện tử gần tự Nhận xét sơ đồ vùng lượng - Giải toán phép gần điện tử liên kết chặt Phân tích kết Sinh viên: - Nắm vững ý nghĩa vật lý toán - Hiểu cách biểu diễn vùng lượng - Tự đọc thêm mặt đẳng mặt Fermi Thầy cô: - Nêu vắn tắt cấu trúc vùng lượng chất bán dẫn - Dẫn phương trình chuyển động điện tử - Rút khái niệm khối lượng hiệu dụng, lỗ trống áp dụng Bài tập nhà GHW #13 Bài tập lớp AIC #9 Bài tập nhà GHW #14 dụng - Bán dẫn tinh khiết bán dẫn pha tạp: mật độ hạt mang điện, trạng thái donor acceptor - Các hiệu ứng nhiệt điện L.O.6.3 – Dẫn biểu thức mật độ điện tử lỗ trống điều kiện cân nhiệt bán dẫn tinh khiết bán dẫn tạp chất L.O.6.3 – Mô tả sơ đồ vùng lượng bán dẫn, mức Fermi, mức tạp chất donor mức tạp chất acceptor cho trường hợp bán dẫn Sinh viên: - Áp dụng khái niệm cho trường hợp bán dẫn Si Ge Thầy cô: - Dẫn biểu thức mật độ hạt mang điện bán dẫn tinh khiết - Mô tả độ dẫn điện bán dẫn pha tạp - Sự ion hóa nhiệt nguyên tử tạp chất donor acceptor Bài tập lớp AIC #10 Bài tập nhà GHW #15 Sinh viên: - Tự đọc thêm tính chất dẫn điện bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ - Hiểu khái niệm độ linh động hạt mang điện Thầy cô: - Mô tả cấu trúc vùng lượng bán dẫn, mức Fermi - Các trạng thái tạp chất dịch chuyển mức Fermi bán dẫn pha tạp Sinh viên: - Nắm vững tự vẽ lại sơ đồ vùng lượng Thông tin liên hệ Bộ mơn/Khoa phụ trách Văn phịng Điện thoại Giảng viên phụ trách Email Tp Hồ Chí Minh, ngày TRƯỞNG KHOA CHỦ NHIỆM BỘ MÔN 9/9 tháng năm 2014 CB PHỤ TRÁCH LẬP ĐỀ CƯƠNG