Våren sp Laudaturkurs för fysiker

HTML
DOWNLOAD

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Våren sp Laudaturkurs för fysiker"

Oliver Ekström
för 5 år sedan
Visningar:

1 Materialfysik, Materials Physics Våren sp Laudaturkurs för fysiker Litteratur och arbetsformer Litteratur: Eugene A. Irene: Electronic Materials Science (EI) (Kursboksbiblioteket, E- book) N.W. Ashcroft and N. D. Mermin: Solid State Physics (AM) (Kursboksbiblioteket, Fysik, TkF) W.D McCallister: Materials Science and Engineering g : An introduction 6 th edition (WC) (Fysik) Charles Kittel: Introduction to Solid State Physics (CK) (Fysik) Anteckningar Baserat delvis på kurserna inom materialfysik (K. Nordlund) och fasta tillståndets fysik (K. Nordlund & D. Riska) vid HU Vidare kan följande böcker vara till hjälp: D.D. Pollock: Physical Properties of Materials for Engineers M.A. Omar: Elementary Solid State Physics Arbetsformer 40 h föreläsningar Må samt Fre 9-11 i fysikens seminarierumm 20 h räkneövningar RÖ assistent FM Fredrik Janson, tid enligt överenskommelse 25% poäng från RÖ Minst 50% godkända RÖ för tenträtt. 2 delförhör samt 02 eller Vitsord 25% från RÖ samt 75% från 2 delförhör. Vitsord: 45-54% för 1, 55-64% för 2, 65-74% för 3, 75-84% för 4, % för 5. Innehåll 1. Introduktion till materialfysik 2. Fria elektronmodellen (AM 1-2, EI 10) 1. Drude modellen för metallers ledningsförmåga 1. Relaxationstiden 2. DC och AC konduktivititet 3. Hall effekten och magnetoresistans 2. Sommerfeldts teori 1. Fermi-Dirac distributionen 2. Tilståndstätheten 3. Termiska egenskaper hos en fri elektrongas 3. Kristallstrukturer (EI kap 2, AM kap 4-5,8) 1. Enhetsceller, Bravaiscellen 2. Reciproka gittret 3. Bloch s teorem 4. Elektroner i en periodisk potential (AM8-9) 5. Semiklassiska modellen (AM 12-13) 6. Yteffekter och växelverkningsmodeller (AM 18-20) 1. Arbetsfunktion 2. Kohesionsenergi 3. Primära bindningstyper 4. Sekundära bindningstyper 7. Kristalldynamik (EI kap 7-8, AM 22) 1. Vibrationer i en 1D kristall 2. Vibrationer i en diatomär kristall 3. Fononer 4. Elasticitet 1. Hooke s lag 2. Poissons förhållande 5. Plasticitet 1. Dislokationer 2. Deformationer 8. *Kvantmekanisk behandling av den harmoniska kristallen (AM 23) 1. Specifik värme 2. Einstein och Debye formalismen 9. Dielektriska egenskaper hos isolatorer (AM 27) 1. Polarisabilitet 10. Magnetiska egenskaper (AM 31-32) 1. Dia- och paramagnetism 2. Ferromagnetism 11. Supraledning (AM34) 1. Kritisk temperatur 2. Meissner effekten 3. BCS teorin 1

2 Veckoplan V. Dag Datum Tema 3 Må Introduktion Fr Fria elektron-modellen I 4 Må Fria elektron-modellen II Övn 1 Fr Kristallstrukturer I 5 Må Kristallstrukturer II Övn 2 Fr Elektr. i periodisk pot. I 6 Må Elektr. i periodisk pot. II Övn 3 Fr Semiklassiska mod. I 7 Må Semiklassiska mod. II Övn 4 Fr Yteffekter och vv-mod. 8 Må Övn 5 Fr Delförhör 1 (kap 1-6) V. Dag Datum Tema 9 Må Kristalldynamik I Fr Kristalldynamik II 10 Må Kristalldynmik III Övn 6 Fr Kristalldynamik IV 11 Må KM. behandling av kristallen I Övn 7 Fr KM. behandling av kristallen II 12 Må Undervisningsfritt 13 Må Påsklov + fysikerdagarna 14 Må Dielektriska egenskaper I Fr Dielektriska egenskaper II 15 Må Dielektriska egenskaper III Övn 8 Fr Magnetiska egenskaper I 16 Må Magnetiska egenskaper II Övn 9 Fr Supraleding I 17 Må Supraledning II Övn 10 Fr Reservdag I 18 Må Reservdag II 18/19 Fre 2/9.05 Delförhör 2 (kap 7-11) 1.1 Vad är materialvetenskap? Materialvetenskap ( Materials science ) Ses ofta speciellt i USA som en vetenskap i sig Department of Materials Science, MRS, EMRS,... Uppenbara undertyper: materialfysik och materialkemi Men: materialfysik+materialkemi< materialvetenskap! Denna kurs är materialvetenskap med stark vinkling mot fysik, därav namnet Materialfysikkursen Baseras på fasta tillståndets fysik, eller även kallad den kondenserade materians fysik Solid-state physics, condensed-matter physics Varför? Solid State innehåller grundteorierna för hur vi beskriver elektroner och dess dynamik Elektrondynamiken bestämmer sedan många egenskaper såsom de mekaniska, termiska och förstås elektroniska egenskaperna i fasta material Vi kommer att fokusera på egenskaperna i elektroniska material metaller, halvledare och isolatorer (dielektrika) Keramer och polymerer kommer även att introduceras Övriga kurser som bygger på denna kurs: Elektroniska egenskaper i organiska material HT 2008 Halvledarfysik (HT2009) och Organisk elektronik (VT 2009) 6 2

3 1.2 Klassificering av material Material kan klassificeras på ett otal olika sätt, men några grundtyper är ganska väl definierade Enligt kemisk bindningstyp: Metaller, keramer, polymerer Enligt användningsområde: legeringar, kompositer, halvledare, biomaterial, smarta material Enligt delstorlek: Bulkmaterial vs. nanomaterial 7 Metaller Binds samman av så kallad metallbindning : Har mycket fria elektroner, fri elektrongas Atomerna är positivt laddade joner Växelverkan mellan den negativa elektrongasen och de positiva jonerna håller materialet ihop Direkt följd av fria elektroner: alltid bra elektrisk ledning och värmeledning Därmed också ogenomskinliga I allmänhet mycket starka Kan vara grundämnen eller legeringar Möjlig källa till konfusion: emellanåt används bra elledningsförmåga som definition på metaller Enligt det är t.ex. vissa kolnanorör metalliska, trots helt annan bindningstyp Ronald Österbacka Åbo Akademi 8 Keramer Keramer är oftast kombinationer av metalliska och ickemetalliska grundämnen som bildar starka joniska eller kovalent bindning sinsemellan Oxider, nitrider, karbider Nästan alltid en förening (kompound) mellan olika grundämnen Dock räknas diamant, kisel och germanium emellanåt som keramer Oftast hårda och sköra material Oftast inte elledande Exempel: tand, porslin, tegel, cement, glas, YBCO,... Ronald Österbacka Åbo Akademi 9 3

4 Polymera material Består av små kovalent bundna molekyler som är bundna till varandra med kovalenta (och ofta ocksådelvis joniska och väte-) bindningar Helheten är en enda molekyl Plaster och gummi Relativt låg densitet, ofta flexibla, oftast mjukare en metaller och keramer Oftast baserade på organiska material: kol, väte, syre, kväve Ronald Österbacka Åbo Akademi 10 Legeringar Material med metalliska egenskaper vilket består av två eller flera grundämnen, varav minst ett är metall Även en blandning av två eller flera polymera material kan ibland också kallas för legering. Legeringar framställs vanligen genom att de olika komponenterna i form av smältor blandas. Även pressning och sintring av pulveraktiga ämnen Stor teknisk betydelse och har använts av människan i tusentals år (till ex. brons). Hårdheten och styrkan, korrosionsbeständighet etc ökas mhja legeringar Ronald Österbacka Åbo Akademi 11 Kompositer Blandning mellan olika grundmaterialtyper Har även blandning av egenskaperna Poängen är givetvis att kombinera de goda egenskaperna, t.ex. en kerams hårdhet med en polymers flexibilitet Kan även vara blandning av en enda grundmaterialtyp, t.ex. en typ av metall i en lagerstruktur med en annan Storleksskalan för kompositdelarna kan vara vad som helst mellan nanometer-och centimeterskala Exempel: glasfiber, förstärkt betong,... Ronald Österbacka Åbo Akademi 12 4

5 Halvledare Material vars elektriska egenskaper ligger mellan metaller och isolatorer Ledningsförmågan är starkt temperaturberoende, men är 0 vid 0 K känslig för orenheter Kan justera ledninsgförmågan med dem! Bandgapet >0 men < 3 ev Kisel, germanium, III-V-kompounds, II-IV-kompounds och mera exotiska kompounds Gränsen har flutit historiskt: T.ex. GaNoch ZnOmed bandgap på~3 ev brukade inte räknas som halvledare, men räknas nu p.g.a. användning som sådana Konfusion: Mekaniskt sett ofta hårda och sköra, kan ur den synvinkeln också kallas keramer Ronald Österbacka Åbo Akademi 13 Biomaterial Material som baserar sig på biologiska molekyler och strukturer eller är biokompatibla Material kan leva! Biokompatibel: lösgör inte giftiga ämnen eller orsakar inte biologiska reaktioner Alla materialklasser kan vara biokompatibla, men variationerna kan vara stora inom samma materialklass T.ex. vissa metaller mycket giftiga, andra just inte alls Ronald Österbacka Åbo Akademi 14 Intelligenta (smarta) material Med intelligenta (smarta) material avses sådana som på något sätt byter egenskap med avseende på förändringar i sin omgivning Ex. Fotokroma glas som blir mörka i solljus Ex. Självrenande fönster (TiO2) Används också ofta för materialsystem, kombinationer av material som har funktionalitet Sensorer: detekterar något Ex. piezoelektriska kristaller ger en elsignal p.g.a. tryck Aktuatorer: åstadkommer en funktion p.g.a. en signal Ex. Konstgjorda muskler av Poly-p-phenylene som utvidgas i lösning när en spänning appliceras Ex. Minnesmetaller som återvänder till sin ursprungsform vid upphettning Ronald Österbacka Åbo Akademi 15 5

6 Bulk vs nanomaterial Bulkmaterial, åtminstone metaller, har karakteristiska minsta beståndsdelar av nästan makroskopiska mått och är homogena T.ex. metallkornstorlek μm Nanomaterial har per definition minsta beståndsdelar i storleksordningen nm Dessutom bör det finnas något nyhetsvärde av nanoeffekten Materialet måste få nya egenskaper pga nano-dimensionen Nanomaterial avviker ofta starkt i egenskaper från bulkmaterial p.g.a. närheten till atomnivå och är därför spännande Ronald Österbacka Åbo Akademi 16 6

Relevanta dokument

Materialfysik vt Introduktion 1.1. Introduktion-introduktion

Materialfysik vt Introduktion 1.1. Introduktion-introduktion 530117 Materialfysik vt 2007 1. Introduktion 1.1. Introduktion-introduktion Praktiska saker Webbsida: http://beam.acclab.helsinki.fi/~knordlun/matfys/ Föreläsningarna kommer dit (minst 5 minuter i förväg)