Избранные главы физики конденсированного состояния

Магистратура 2020/2021

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Статус: Курс по выбору (Материалы. Приборы. Нанотехнологии)

Направление: 11.04.04. Электроника и наноэлектроника

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 2-й курс, 1-3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Каган Максим Юрьевич, Монахов Иван Сергеевич, Попова Елена Арнольдовна, Тамеев Алексей Раисович

Прогр. обучения: Материалы. Приборы. Нанотехнологии

Язык: русский

Кредиты: 14

Контактные часы: 116

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Развитие техники требует все новых материалов подчас с принципиально новыми свойствами, обладающих сочетанием определенных характеристик: магнитных, упругих, электрических. Курс направлен на формирование современных представлений в области макроскопических квантовых систем, таких как квантовые жидкости, кристаллы и газы, низкоразмерных магнитных систем, электронных процессов в нанокомпозитах на основе органических и гибридных соединений, в т.ч. в оптоэлектронных пленочных устройствах (светодиод, фотодиод, полевой транзистор и т.п.), а также о современных методах исследования структуры, состава и физических свойств широкого спектра материалов различного функционального назначения, овладение навыками комплексного применения изучаемых методов для решения практических задач в профессиональной деятельности. При обучении предусмотрен контроль знаний студентов в виде учета активности студентов на семинаре, домашних заданий, коллоквиума и экзамена.

Цель освоения дисциплины

Целью курса является формирование современных представлений в области макроскопических квантовых систем, таких как квантовые жидкости, кристаллы и газы, низкоразмерных магнитных систем, электронных процессов в нанокомпозитах на основе органических и гибридных соединений, в т.ч. в оптоэлектронных пленочных устройствах (светодиод, фотодиод, полевой транзистор и т.п.), а также о современных методах исследования структуры, состава и физических свойств широкого спектра материалов различного функционального назначения, овладение навыками комплексного применения изучаемых методов для решения практических задач в профессиональной деятельности.

Планируемые результаты обучения

Знает: - основные модели, описывающие электронные свойства кристаллической и неупорядоченной (полимерной) сред; - особенности электронных свойств наноразмерных структур; - принципы работы тонкопленочных электронных устройств.
Знает: - основные положения и границы применимости кинематической и динамической теории рассеяния; - физику дифракции рентгеновских лучей и электронов: свойства обратной решетки, уравнение Лауэ, построение Эвальда, формулу Вульфа-Брэгга; - принцип работы, конструкцию и структурные схемы лабораторного оборудования, реализующего изучаемые методы.
Знает: - особенности физических свойств сверхтекучего гелия, квантовых кристаллов и газов; - принципы работы криогенной техники.
Знает: - основные особенности магнитных взаимодействий в низкоразмерных магнитных системах; - свойства ряда низкоразмерных магнитных систем, таких как димеры, спиновые цепочки, спиновые лестницы, двумерные магнитные системы.
Умеет: выявлять особенности электронных свойств наноразмерных структур.
Владеет: навыками расчета параметров и основных характеристик электронных устройств с использованием физических моделей.
Умеет: анализировать области применения, возможности и ограничения таких методов, как РФЭС, ОЭС, МРСА, ВИМС, ДМЭ; РЭМ, ПЭМ, АСМ, EXAFS, XRD, XRR, GISAXS.
Владеет: навыками современных способов математического описания шероховатых поверхностей, особенностей диффузного рассеяния рентгеновских лучей на шероховатой поверхности и структуре пленка-подложка.
Умеет: проводить анализ свойств сверхтекучего гелия; квантовых кристаллов и газов по конкретным экспериментальным данным;
Владеет: навыками теоретического описания свойств квантовых жидкостей, кристаллов и газов.
Умеет: проводить анализ свойств низкоразмерных магнитных систем.
Владеет: навыками теоретического описания свойств низкоразмерных магнитных систем.

Содержание учебной дисциплины

Тема 1. Электронные процессы в неупорядоченных органических полупроводниках и нанокомпозитах.
Электроны в неупорядоченной среде: - Металлы. Полупроводники. Диэлектрики. - Аморфные полупроводники. Неупорядоченная среда. Локализованные состояния. - Прыжковый и туннельный механизмы переноса носителей заряда. - Органические полупроводники: полимерные и низкомолекулярные соединения. Молекулярные орбитали и оптические свойства. - Фотогенерация и транспорт носителей заряда в органических полупроводниках. Электроны в наноструктурах: - Размерное квантование электронных состояний в квантовых ямах. - Квантовые точки. Твердые слои квантовых точек. Перенос энергии и носителей заряда. - Наноструктуры органических соединений. H- и J-агрегаты. Оптические и электрические свойства. Электрические свойства полимерных нанокомпозитов: - Диэлектрики в статическом электрическом поле. Ток, ограниченный пространственным зарядом. Эффект переключения проводимости. Электрический пробой. - Электрическая проводимость и фотопроводимость тонких пленок полимерных нанокомпозитов. Планарный и объемный гетеропереход. - Принципы работы тонкопленочных электронных устройств. Светоизлучающий диод и транзистор. Солнечные элементы на основе наноструктур. Элементы памяти.
Тема 2. Методы и приборы для исследования состава, структуры и свойств материалов.
Методы и приборы для определения элементного состава материалов. Методы и приборы для изучения структуры материалов. Рентгеновские методы исследования структуры материалов. Методы, основанные на дифракции электронов. Методы и приборы для анализа геометрических параметров и размеров наночастиц. Специальные методы исследования.
Тема 3. Квантовые жидкости, кристаллы и газы.
Квантовые жидкости: - Квантовые жидкости. Сверхтекучий гелий. - Законы сохранения Ландау в гидродинамике - Двухскоростная сверхтекучая гидродинамика. Нормальная и сверхтекучая плотность. - Первый и второй звук в сверхтекучем гелии. Критические скорости Ландау для разрушения сверхтекучего течения - Спектр элементарных возбуждений в гелии. Фононы и ротоны. - Квантовые вихревые нити Фейнмана-Онзагера. Критические угловые частоты вращения для сосуда со сверхтекучим гелием - Законы подобия Колмогорова. Классическая и сверхтекучая турбулентность - Сверхтекучий Не-3. А и В фазы. Фазовая диаграмма. Сверхнизкие критические температуры. Квантовые газы и кристаллы: - Магнитные и оптические ловушки. Бозе-эйнштейновская конденсация в ультрахолодных квантовых газах. - Квантовые кристаллы. Капиллярные волны и волны Рэлея. Волны плавления-кристаллизации на межфазной поверхности раздела квантовый кристалл-квантовая жидкость. Криогенная техника в физике низких температур: - Криогенная техника в физике низких температур. - Криостат растворения и техника ядерного размагничивания. - Лазерное и испарительное охлаждение для создания ультрахолодных квантовых газов.
Тема 4. Низкоразмерный магнетизм.
Низкоразмерные магнитные системы: - Кристаллическая структура и магнитные взаимодействия в низкоразмерных магнитных системах. - Димеры. Термодинамические свойства димеризованных систем. - Цепочки полу- и целочисленных спинов - Цепочки спинов S= ½. Альтернированные цепочки спинов. - Спин-Пейерловский переход - Цепочки целочисленных спинов. Халдейновская щель в спектре магнитных возбуждений. - Квазиодномерные магнетики. Спиновые лестницы. Гибридные системы. Двумерные спиновые решётки: - Фрустрированные двумерные спиновые решётки. Треугольная решётка и решётка Кагоме. - Магнитные монополи и спиновый лёд. Магнитные струны Дирака.

Элементы контроля

Семинар 1
Коллоквиум 1
Коллоквиум проводится в устной форме. Оценка выставляется по десятибалльной шкале. За несданный коллоквиум за неделю до зачетно-экзаменационной недели данного модуля выставляется оценка Кол=0 баллов. Оценка за коллоквиум является блокирующей.
Домашнее задание 2
Дистанционный формат со 2-го модуля. За несданное домашнее задание за неделю до зачетно-экзаменационной недели данного модуля выставляется оценка 0 баллов.
Экзамен 1
Экзамен состоялся. Экзамен проводится в устной форме в период экзаменационной сессии по графику, предусмотренному Рабочим учебным планом. Оценка за экзамен выставляется по десятибалльной шкале. Оценка за экзамен является блокирующей. Пересдача экзамена проводится в период переэкзаменовки.
Семинар 2
Дистанционный формат со 2-го модуля.
Семинар 3
Экзамен 2
Преподаватель вправе освободить от прохождения экзамена студентов, с выставлением им во время сессии оценки по промежуточной аттестации, соответствующей накопленной оценке без учёта веса экзамена (то есть сумма весов всех элементов контроля, за исключением экзамена, приравнивается к единице). Преподаватель объявляет свое решение не позднее, чем на последнем занятии до экзамена. Для объявления оценок могут быть использованы официальные каналы передачи информации, используемые в процессе обучения. По желанию студентов, они могут отказаться от выставления оценки без проведения экзамена и сдать его, о чем сообщают преподавателю не позднее последнего занятия. Экзамен проводится в устной форме (опрос по материалам курса) онлайн по ссылке https://meet.google.com/lookup/bqb42rop6b. К экзамену необходимо подключиться согласно расписанию или по предварительной договоренности с преподавателем. Компьютер студента должен удовлетворять требованиям: наличие рабочей камеры и микрофона, поддержка онлайн платформы. Для участия в экзамене студент обязан: поставить на аватар свою фотографию, явиться на экзамен согласно расписанию, при ответе включить камеру и микрофон. Во время экзамена студентам запрещено: выключать камеру, пользоваться конспектами и подсказками. Кратковременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение связи менее минуты. Долговременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение более одной минуты. При долговременном нарушении связи студент не может продолжить участие в экзамене. Процедура пересдачи подразумевает использование усложненных заданий.
Экзамен 3

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (1 модуль)
0.3 * Коллоквиум 1 + 0.2 * Семинар 1 + 0.5 * Экзамен 1
Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.3 * Домашнее задание 2 + 0.3 * Семинар 2 + 0.4 * Экзамен 2
Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.5 * Семинар 3 + 0.5 * Экзамен 3

Программа дисциплины