Физика твердого тела

Магистратура 2020/2021

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

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс обязательный (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: 1-й курс, 3, 4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Бондаренко Геннадий Германович, Монахов Иван Сергеевич

Прогр. обучения: Материалы. Приборы. Нанотехнологии

Язык: русский

Кредиты: 9

Контактные часы: 124

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Курс направлен на формирование у студентов магистерской программы углубленных представлений об основных физических процессах, явлениях и закономерностях физики твердого тела, систематических знаний о фазовых равновесиях и структурно-фазовых превращениях в твердых телах, физических свойствах материалов (электрических, магнитных, упругих, прочностных и др.), влиянии на их характеристики различных факторов (температуры, давления, механических, термических воздействий), физических принципах создания материалов с заданными свойствами и структурой, методах их модификации для целенаправленного получения улучшенных эксплуатационных характеристик, формирование основных компетенций в области физики твердого тела, а также практических умений и навыков, необходимых для эффективной последующей работы в академических, вузовских, научно-исследовательских и конструкторских организациях оборонной, авиакосмической, радиоэлектронной, атомной промышленности. Главной задачей лекционных занятий является освоение научно-теоретических основ физики твердого тела. Во время интерактивных практических занятий (семинаров) студенты овладевают навыками описания кристаллических структур, умения проводить выбор необходимых современных методик для теоретического и экспериментального исследования физических свойств и структуры твердых тел, а также оптимальных режимов их обработки и модифицирования, выполнять оценочные расчеты физических характеристик металлов, полупроводников, диэлектриков, использовать справочные данные для решения инженерных задач, применять полученные знания при анализе теоретических и экспериментальных исследований физических процессов в твердых телах и выработке рекомендаций по улучшению эксплуатационных характеристик материалов. Контроль качества освоения студентом дисциплины включает в себя оценивание преподавателем работы студента на аудиторных занятиях (активность в дискуссиях, правильность разбора кейсов, решения практических задач, ответов на вопросы, добросовестность посещения студентами занятий по дисциплине), контрольную работу и устный экзамен.

Цель освоения дисциплины

• Формирование углубленных представлений об основных физических процессах, явлениях и закономерностях физики твердого тела, систематических знаний о фазовых равновесиях и структурно-фазовых превращениях в твердых телах, физических свойствах материалов, влиянии на их характеристики различных факторов (температуры, давления, механических, термических воздействий), формирование основных компетенций в области физики твердого тела, а также практических умений и навыков, необходимых для эффективной последующей работы в академических, вузовских, научно-исследовательских и конструкторских организациях электронной, авиакосмической, оборонной, атомной промышленности.

Планируемые результаты обучения

Знает и умеет описывать основные типы кристаллических решеток и дефектов в реальных структурах твердых тел, а также диффузионные процессы в различных материалах.
По 2-му разделу: Знает теоретические основы кристаллизации материалов, построения и анализа диаграмм фазового равновесия бинарных систем, имеет представление о процессах, происходящих при структурно-фазовых превращениях, умеет провести качественную и количественную оценку структурно-фазовых превращений в материалах.
Знает принципы и закономерности изменения физических свойств твердых тел в зависимости от структуры, химического и фазового составов, температуры, давления, механических, термических воздействий и т.д., умеет предсказать изменения физических свойств и структуры твердых тел под действием различных внешних факторов, проводить анализ экспериментальных данных, давать рекомендации по улучшению эксплуатационных свойств материалов.

Содержание учебной дисциплины

Раздел 1. Атомное строение идеальных и реальных твердых тел.
Тема 1. Межатомные связи и атомное строение идеальных твердых тел. Кристаллические и аморфные твердые тела. Ближний и дальний порядок. Типы межатомных связей – металлическая, ковалентная, ионная, Ван-дер-Ваальса. Понятие об идеальном и реальном кристаллах. Основные типы кристаллических решеток. Плотноупакованные и неплотноупакованные кристаллические решетки. Коэффициент компактности кристаллической решетки. Кристаллографические пустоты в различных кристаллических решетках. Кристаллографические индексы плоскостей и направлений, индексы Миллера и Миллера-Бравэ. Анизотропия свойств кристаллов. Тема 2. Дефекты кристаллической решетки в реальных твердых телах. Точечные дефекты в кристаллических твердых телах. Классификация дефектов в кристаллах. Определение и описание типов точечных дефектов – вакансий, междоузельных атомов, примесных атомов внедрения и замещения. Дефекты Френкеля и Шоттки. Гантели. Кроудионы. Комплексы точечных дефектов – вакансионные, междоузельные, комплексы «собственный дефект-примесный атом». Энергии образования и миграции точечных дефектов и их комплексов. Равновесная и неравновесная концентрации точечных дефектов. Источники и стоки точечных дефектов. Методы определения концентрации и энергии образования точечных дефектов (дилатометрии, электросопротивления, электрон-позитронной аннигиляции). Дислокации. Понятие о дислокациях. Основные положения теории дислокаций. Краевая дислокация. Движение краевой дислокации скольжением и переползанием. Пороги на краевых дислокациях. Винтовая дислокация, ее скольжение и поперечное скольжение. Цилиндрическая симметрия искажения кристаллической решетки вокруг винтовой дислокации. Смешанные дислокации, их движение. Скользящие петли дислокаций. Вектор Бюргерса, его свойства. Призматические петли дислокаций, их образование при пластической деформации, закалке, облучении. Скорость движения дислокаций. Плотность дислокаций, методы ее определения. Упругие свойства дислокаций. Энергия образования дислокации. Сила линейного натяжения дислокации. Сила, действующая на дислокацию. Упругое взаимодействие дислокаций. Образование дислокаций – при эпитаксиальном росте пленок, кристаллизации, дроблении зерен на субзерна, закалке, облучении. Эпитаксиальные дислокации (дислокации несоответствия). Размножение дислокаций. Источник Франка-Рида. Дислокационные сетки. «Лес» дислокаций. Понятие о полных и частичных (неполных) дислокациях. Частичные дислокации Шокли. Расщепленные (растянутые) дислокации. Частичные дислокации Франка. Сидячие дислокации. Сидячие и скользящие призматические дислокационные петли. Дислокация Ломер-Коттрелла, ее образование. Дефекты упаковки в кристаллах. Способы укладки атомных слоев кристаллической решетки. Дефекты упаковки как поверхностные (двумерные) дефекты кристаллической решетки. Дефекты упаковки внедрения и вычитания. Энергия дефектов упаковки. Поверхностное натяжение дефекта упаковки. Границы зерен и субзерен в твердых телах. Монокристаллические и поликристаллические твердые тела, зерна и субзерна. Границы наклона и кручения. Малоугловые границы, их образование. Симметричные и несимметричные малоугловые границы, их миграция. Высокоугловые (большеугловые) границы зерен. Модели высокоугловых границ. Зернограничная дислокация, ее перемещение. Миграция границ зерен и субзерен, зернограничное проскальзывание. Торможение дислокаций границами зерен и субзерен. Тема 3. Диффузионные процессы в реальных кристаллах. Диффузия в кристаллических твердых телах (определение). Самодиффузия и гетеродиффузия. Термодинамика диффузионных процессов. Химический потенциал, градиент химического потенциала. Диффузия свободная и вынужденная (термодиффузия, электродиффузия, бародиффузия, восходящая диффузия). Атомные механизмы диффузии в твердых телах (по дислокационным трубкам, границам зерен, поверхности, вакансионный, межузельный, гантельный, обменный, кольцевой и др.). Законы диффузии (законы Фика). Коэффициент диффузии. Зависимость коэффициента диффузии от температуры. Энергия активации диффузии. Эффект Киркендалла.
Раздел 2. Кристаллизация, фазовые диаграммы и фазовые превращения в твердых телах.
Тема 1. Кристаллизация и фазовые превращения в твердых телах. Термодинамические основы кристаллизации. Кристаллизация, энергетические условия и механизмы процесса кристаллизации. Первичная и вторичная кристаллизация. Термодинамика фазовых превращений. Изменение свободной энергии при зарождении новой фазы в жидком и твердом состояниях. Гомогенное (флуктуационное) и гетерогенное зарождение. Критический зародыш. Термические кривые охлаждения при кристаллизации веществ. Рост кристаллов. Ликвация – внутрикристаллитная, зональная, гравитационная. Возврат, полигонизация, первичная, собирательная и вторичная рекристаллизация, текстура. Статическая и динамическая рекристаллизация. Влияние возврата и рекристаллизации на свойства твердых тел. Фазовые переходы 1-го и 2-го рода. Полиморфные превращения в твердом состоянии. Магнитные превращения. Виды сплавов. Компонент, фаза, механическая смесь. Виды кристаллических твердых фаз: чистые компоненты, твердые растворы, промежуточные фазы. Твердые растворы внедрения. Твердые растворы замещения – неупорядоченные, упорядоченные (сверхструктуры). Твердые растворы вычитания. Интерметаллиды. Тема 2. Диаграммы фазового равновесия бинарных систем. Сущность и значение диаграмм фазового равновесия (диаграмм состояния). Правило фаз. Термодинамические основы построения диаграмм состояния. Основные типы диаграмм фазового равновесия двойных сплавов. Правило отрезков (правило рычага). Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью компонентов. Диаграммы состояния с ограниченной растворимостью эвтектического и перитектического типов. Диаграммы состояния с химическими соединениями, промежуточными фазами, с монотектическим превращением. Полиморфизм. Диаграммы состояния с полиморфным превращением. Понятие о диаграммах состояния тройных систем. Связь свойств сплавов с их диаграммой фазового равновесия (законы Курнакова).
Раздел 3. Физические свойства и их взаимосвязь со структурой твердых тел.
Тема 1. Механические свойства твердых тел. Основные механические характеристики твердых тел. Диаграмма «напряжение – деформация». Упругость. Закон Гука. Модули упругости, влияние на него различных факторов. Внутреннее трение, теория Гранато-Люкке. Эффект Баушингера. Дислокационные механизмы пластической деформации - скольжением, двойникованием (полюсный механизм). Закон Шмида-Боаса. Особенности пластической деформации поликристаллических материалов. Идеальная и реальная прочность материалов. Образование порогов на дислокациях. Движение дислокаций с порогами. Упрочнение при торможении дислокаций. Деформационное упрочнение. Стадии деформации, микроструктурные изменения в материалах. Разрушение твердых тел, виды разрушения. Модели зарождения трещин. Ударная вязкость. Переход от вязкого разрушения к хрупкому. Хладноломкость. Вязкое разрушение. Влияние различных факторов на процесс разрушения твердых тел. Соотношение Холла-Петча. Жаропрочность. Предел ползучести. Низко- и высокотемпературная ползучесть. Диффузионная ползучесть. Длительная прочность. Понятие об усталости материалов. Выносливость, предел выносливости. Физические параметры, оказывающие влияние на усталость. Образование и распространение усталостных трещин. Особенности усталостной структуры. Способы повышения усталостной прочности. Тема 2. Электрические свойства твердых тел. Основные характеристики электрических свойств материалов. Основы зонной теории твердых тел. Электрические свойства полупроводников. Собственная и примесная проводимость. Электронно-дырочный (p-n) переход, его вольт-амперная характеристика. Электричесские свойства металлов. Фононы. Температура Дебая. Контактная разность потенциалов, термоэлектродвижущая сила. Низкотемпературная сверхпроводимость. Сверхпроводники I и II рода. Вихри Абрикосова. Основные положения теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Электрон-фононное взаимодействие. Куперовские пары. Бозоны. Эффекты Джозефсона – стационарный и нестационарный. Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП). Тема 3. Диэлектрические свойства твердых тел. Характеристики диэлектрических материалов и связь между ними. Линейные (пассивные) и нелинейные (активные) диэлектрики. Неполярные, полярные и ионные диэлектрики. Виды поляризации диэлектриков. Диэлектрические потери. Электрическая прочность твердых диэлектриков. Виды пробоя в твердых диэлектриках. Сегнетоэлектрики , пьезоэлектрики, электреты. Тема 4. Магнитные свойства твердых тел. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, их свойства. Обменное взаимодействие электронов в кристаллической решетке и его влияние на парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм. Антиферромагнетики. Ферримагнетики. Ферриты. Магнитная анизотропия. Намагничивание и перемагничивание ферромагнетиков. Петля гистерезиса. Магнитные свойства материалов в переменных полях. Скин-эффект. Магнитострикция. Спиновые волны. Магноны. Цилиндрические магнитные домены.

Элементы контроля

Семинар
Дистанционный формат до особого распоряжения.
Контрольная работа
Дистанционный формат до особого распоряжения. Письменная контрольная работа проводится в течение 80 минут в форме тестовых заданий свободного изложения. Они предполагают свободные ответы испытуемых по сути задания. Однако формулировки заданий предусматривают наличие только одного правильного ответа по каждому вопросу задания.
Экзамен
Экзамен проводится в устной форме с возможностью проведения экзамена онлайн в зависимости от ситуации. 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). Экзамен проводится на платформе Jitsi. К экзамену необходимо подключиться согласно расписанию или по предварительной договоренности с преподавателем. Компьютер студента должен удовлетворять требованиям: наличие рабочей камеры и микрофона, поддержка Jitsi. 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. Устный экзамен проводится с использованием экзаменационных билетов, содержащих по два вопроса из программы. На написание ответов на вопросы и подготовку к устному изложению содержания билета студенту отводится 30 минут. Использование на экзамене каких-либо текстов, калькуляторов, телефонов и др. средств связи запрещается. Оценки по всем формам текущего и итогового контроля выставляются по 10-ти балльной шкале.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (4 модуль)
Qрез =0.50*Qнак + 0.50*Qэкз = (0.25*Qсем + 0.25*Qкр) + 0.50*Qэкз , где Qрез - результирующая оценка, Qнак - накопленная оценка (Qнак = 0.25*Qсем + 0.25*Qкр),, Qсем - оценка за семинары, Qкр - оценка за контрольную работу, Qэкз - оценка за экзамен

Программа дисциплины