Fyzika pevných látek

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra přírodovědných oborů

Anotace:

Výuka bude vedena prezenčním způsobem, a bude rozdělena na přednášky a cvičení. K aktivizaci studentů budou sloužit krátké diskuse nad tématem přednášky či cvičení, a to jak na začátku, tak v průběhu výuky. Na úvod cvičení budou realizovány krátké testy (5 min.) na ověření znalostí z předchozí hodiny, čímž vyučující získá zpětnou vazbu o znalostech studentů. V průběhu přednášek pak bude prováděno anketní dotazování na klíčové otázky vyučované problematiky tak, aby přednášející získal zpětnou vazbu, jak studenti dané problematice rozumí.

Pro výuku a zejména komunikaci mezi vyučujícími a studenty bude využíváno prostředí Moodle a MS TeamSpeak.

Požadavky:

Podmínky zápočtu: Absolvování cvičení z předmětu s max. dvěma omluvenými absencemi.

Podmínky zkoušky: Zkouška se skládá z písemného testu s možným ústním dozkoušením. Je možné získat max. 100 bodů a hodnocení je založeno na stupnici ECTS.

Osnova přednášek:

1. Typy vazeb: přitažlivé a odpudivé síly v krystalu, kovalentní, kovová, iontová vazba, Van der Waalsovy molekulární síly, vodíková vazba, smíšené vazby.

2. Struktura pevných látek: pevné, kapalné, plynné skupenství, plazma, prvky symetrie, operace symetrie, krystalové soustavy, bodové grupy, prostorové grupy, Bravaisova mřížka, reciproká mřížka, mřížkové poruchy.

3. Metody určování struktury: princip rentgenové, elektronové a neutronové difrakce, jejich porovnání a aplikace.

4. Elektrické vlastnosti kovů: klasická, kvantová a pásová teorie kovů, elektrická a tepelná vodivost, zaplněnost valenčních pásů, Boltzmannova kinetická teorie, vodivost slitin, Fermiho-Diracova rozdělovací funkce.

5. Kmity mřížky a tepelné kapacity: kmitové větve - akustické, optické, Brillounova zóna, Dulongův-Petitův zákon, Debyeova teplota, Einsteinovy členy.

6. Pásová teorie pevných látek: zaplněnost, vzdálenost a překryv pásů, pásová teorie tuhých látek, metody studia pásové struktury, Fermiho-Diracova rozdělovací funkce, Maxwellova-Boltzmanova rozděovací funkce, pásová struktura kovů a polovodičů, valenční x vodivostní pás, dovolené a zakázané energetické hladiny.

7. Luminiscence: fosforescence, fluorescence, elektronové přechody, mezisystémové přechody, emisní x excitační spektra, metody měření luminiscence, absorpce, Lambertův-Beerův zákon, chemiluminiscence, bioluminiscence.

8. Fyzika polovodičů: energetická pásová struktura, vlastní, příměsový a kompenzovaný polovodič, akceptory, donory, P-N přechod, V-A charakteristika P-N přechodu.

9. Dielektrika a magnetika: Clausiova-Mosottiova rovnice, mechanismy polarizace, Kramersovy-Kronigovy relace, Debyeovy formule, Lyddanův-Saxsův-Tellerův vztah, optické vlastnosti dielektrik, mezipásmové přechody, absorpční hrana, jevy v dielektrikách, diamagnetismus, feromagnetismus, paramagnetismus, doménová struktura v magneticky uspořádaných látkách.

10. Mechanické vlastnosti kovů: struktura kovů, poruchy krystalové mřížky, stlačitelnost, pružnost, teplotní roztažnost, složky napětí, deformace, mechanické teorie pevnosti.

11. Supravodivost: způsoby chlazení, Peltierův jev, stavová rovnice ideálního plynu, Helium 3, Helium 4, Ginsburgova Landauova teorie, BCS teorie supravodivosti, Meissnerův jev, Londonovy rovnice, Josephsonovy jevy.

12. Kapalné krystaly: fotonické struktury, fázové přechody 1. a 2. druhu, termotropní, lyotropní, chirální a nechirální kapalné krystaly, nematická, cholesterická, smektická fáze.

13. Materiály v medicíně: keramika, kloubní náhrady, biokompatibilní materiály.

14. Opakování, shrnutí.

Osnova cvičení:

1. Typy vazeb: přitažlivé a odpudivé síly v krystalu, kovalentní, kovová, iontová vazba, Van der Waalsovy molekulární síly, vodíková vazba, smíšené vazby.

2. Struktura pevných látek: pevné, kapalné, plynné skupenství, plazma, prvky symetrie, operace symetrie, krystalové soustavy, bodové grupy, prostorové grupy, Bravaisova mřížka, reciproká mřížka, mřížkové poruchy.

3. Metody určování struktury: princip rentgenové, elektronové a neutronové difrakce, jejich porovnání a aplikace.

4. Elektrické vlastnosti kovů: klasická, kvantová a pásová teorie kovů, elektrická a tepelná vodivost, zaplněnost valenčních pásů, Boltzmannova kinetická teorie, vodivost slitin, Fermiho-Diracova rozdělovací funkce.

5. Kmity mřížky a tepelné kapacity: kmitové větve - akustické, optické, Brillounova zóna, Dulongův-Petitův zákon, Debyeova teplota, Einsteinovy členy.

6. Pásová teorie pevných látek: zaplněnost, vzdálenost a překryv pásů, pásová teorie tuhých látek, metody studia pásové struktury, Fermiho-Diracova rozdělovací funkce, Maxwellova-Boltzmanova rozděovací funkce, pásová struktura kovů a polovodičů, valenční x vodivostní pás, dovolené a zakázané energetické hladiny.

7. Luminiscence: fosforescence, fluorescence, elektronové přechody, mezisystémové přechody, emisní x excitační spektra, metody měření luminiscence, absorpce, Lambertův-Beerův zákon, chemiluminiscence, bioluminiscence.

8. Fyzika polovodičů: energetická pásová struktura, vlastní, příměsový a kompenzovaný polovodič, akceptory, donory, P-N přechod, V-A charakteristika P-N přechodu.

9. Dielektrika a magnetika: Clausiova-Mosottiova rovnice, mechanismy polarizace, Kramersovy-Kronigovy relace, Debyeovy formule, Lyddanův-Saxsův-Tellerův vztah, optické vlastnosti dielektrik, mezipásmové přechody, absorpční hrana, jevy v dielektrikách, diamagnetismus, feromagnetismus, paramagnetismus, doménová struktura v magneticky uspořádaných látkách.

10. Mechanické vlastnosti kovů: struktura kovů, poruchy krystalové mřížky, stlačitelnost, pružnost, teplotní roztažnost, složky napětí, deformace, mechanické teorie pevnosti.

11. Supravodivost: způsoby chlazení, Peltierův jev, stavová rovnice ideálního plynu, Helium 3, Helium 4, Ginsburgova Landauova teorie, BCS teorie supravodivosti, Meissnerův jev, Londonovy rovnice, Josephsonovy jevy.

12. Kapalné krystaly: fotonické struktury, fázové přechody 1. a 2. druhu, termotropní, lyotropní, chirální a nechirální kapalné krystaly, nematická, cholesterická, smektická fáze.

13. Materiály v medicíně: keramika, kloubní náhrady, biokompatibilní materiály, zápočtový test.

14. Oprava testu, konzultace, zápočet.

Cíle studia:

Předmět Fyzika pevných látek se zaměřuje na studium struktury a vlastností pevných látek, včetně typů chemických vazeb, krystalových mřížek, elektrických a mechanických vlastností kovů a polovodičů. Studenti se seznámí s metodami určování struktury, jako je rentgenová a neutronová difrakce, a s teoriemi týkajícími se elektrické vodivosti, pásové struktury a luminiscence. Předmět zahrnuje také studium dielektrik, magnetik a supravodivosti, včetně jejich teoretických základů a aplikací. Součástí výuky jsou i materiály používané v medicíně, jako keramika a biokompatibilní materiály pro kloubní náhrady.

Studijní materiály:

Povinná literatura:

[1] KRAUS, Ivo a FIALA, Jaroslav. Elementární fyzika pevných látek. 3. přepracované vydání. Praha: Česká technika - nakladatelství ČVUT, 2022. ISBN 978-80-01-06953-0

[2] KUILA, S. P. Essentials of Solid State Physics. New Central Book Agency, 2020. ProQuest Ebook Central.

Doporučená literatura:

[3] SOUBUSTA, J. Fyzika pevných látek. 2. vydání. Univerzita Palackého v Olomouci, 2024. https://ebookcentral.proquest.com/lib/cvut/detail.action?docID=6361477.

[4] KOLENKO, P. Úvod do fyziky pevných látek. Praha: Czech Technical University in Prague, 2023. ISBN 978-80-01-07139-7.

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní program Biomedicínské nanotechnologie (povinný předmět)