Σελίδα Μαθήματος : Φυσική Στερεάς Καταστάσεως

Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα του μαθήματος
Πρόκειται για εισαγωγικό μάθημα στη φυσική Στερεάς Καταστάσεως. Επιδιώκεται η εφαρμογή προηγούμενων γνώσεων (Ηλεκτρισμού, Μηχανικής, Κβαντομηχανικής) στην μελέτη των στερεών. Πιο συγκεκριμένα επιδιώκεται η εξοικείωση των φοιτητών με:
1. Την εφαρμογή κλασσικών και κβαντικών μοντέλων για την ερμηνεία βασικών ιδιοτήτων των μετάλλων
2. Ο φοιτητής εισάγεται για πρώτη φορά στην έννοια της κρυσταλλικής δομής και του προσδιορισμού της, ως βάσης για την ερμηνεία πολλών ιδιοτήτων των στερεών.
3. Επιδιώκεται ακόμα η κατανόηση των μηχανισμών των χημικών δεσμών που απαντώνται στα στερεά και των ιδιοτήτων διάδοσης των ελαστικών κυμάτων σε αυτά. Δίνεται έμφαση στην περιγραφή των ταλαντώσεων του πλέγματος με την εισαγωγή της έννοιας του φωνονίου.
4. Στόχος του μαθήματος αυτού είναι ακόμα η εξοικείωση με την ηλεκτρονική δομή των στερεών. Για το σκοπό αυτό εισάγεται λεπτομερώς στη θεωρία των ενεργειακών ζωνών, αξιοποιώντας προηγούμενες γνώσεις κβαντομηχανικής. Επιδιώκεται βάσει αυτής ο φοιτητής να κατανοήσει τον διαχωρισμό των υλικών σε μέταλλα, μονωτές και ημιαγωγούς.
5. Τέλος, επιδιώκεται η κατανόηση των ιδιοτήτων των ημιαγωγών ως βασικών υλικών για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών.

Δεξιότητες
Αναμένεται ότι οι φοιτητές αποκτούν μια ευρεία αντίληψη για τον χειρισμό προβλημάτων που αφορούν τα στερεά. Αναμένεται να κατανοούν βασικές ιδιότητες και τρόπους αντιμετώπισης σχετικών προβλημάτων.

Προαπαιτήσεις
Δεν υπάρχουν προαπαιτούμενα μαθήματα βάσει του εφαρμοζόμενου προγράμματος σπουδών. Οι φοιτητές όμως θα πρέπει να διαθέτουν τουλάχιστον στοιχειώδεις γνώσεις Μηχανικής, Ηλεκτρισμού και Κβαντομηχανικής.

Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος
Γενικές ιδιότητες των Μετάλλων. Αέριο ελευθέρων ηλεκτρονίων. Κλασσική προσέγγιση. Υπόδειγμα Drude.
Sommerfeld. Όρια του υποδείγματος αερίου ελευθέρων ηλεκτρονίων.
Κρυσταλλικά και άμορφα στερεά. Κρυσταλλικά πλέγματα. Κρυσταλλική δομή. Το αντίστροφο πλέγμα. Περίθλαση ακτίνων Χ από ένα πλέγμα. Συνθήκη Bragg. Σκέδαση ακτίνων Χ από ένα κρύσταλλο (θεωρία Laue)
Σκέδαση ακτίνων Χ από ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Σκέδαση ακτίνων Χ από ένα άτομο. Παράγων δομής. Πειραματικός προσδιορισμός της κρυσταλλικής δομής με σκέδαση ακτίνων Χ, ηλεκτρονίων και νετρονίων.
Κρυσταλλικοί δεσμοί. Ελαστική και πλαστική παραμόρφωση-νόμος του Hooke. Αποτυχία του στατικού υποδείγματος. Ταλαντώσεις πλέγματος.
Φωνόνια. Πυκνότητα καταστάσεων σε ένα πλέγμα. Ακριβής θεωρία της γραμμομοριακής θερμότητας. Οπτικές ιδιότητες του πλέγματος στην περιοχή του υπερύθρου. Ιοντικοί κρύσταλλοι. Μη αρμονική προσέγγιση (αναρμονικότητα).
Προέλευση ενεργειακών ζωνών. Κυματοσυναρτήσεις ηλεκτρόνιου σε περιοδικό δυναμικό. Ενεργειακές ζώνες σε ένα σύστημα σχεδόν ελευθέρων ηλεκτρονίων (nearly free electron theory approximation). Ενεργειακές ζώνες για ισχυρώς δέσμια ηλεκτρόνια . (tight - binding approximation). Μέταλλα - μονωτές - ημιαγωγοί. Πυκνότητα κατά- στάσεων. Επιφάνεια Fermi. Το ηλεκτρόνιο Βloch. Ενεργός μάζα. Οπές. Πειραματικός προσδιορισμός της δομής των ενεργειακών ζωνών.
Δομή ενεργειακών ζωνών στους ημιαγωγούς. Συγκέντρωση φορέων σε ένα ημιαγωγό λόγω προσμίξεων. Συγκέντρωση φορέων σε ένα ημιαγωγό με αντιστάθμιση. Ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών - ευκινησία. Μηχανισμοί σκέδασης φορέων. Φαινόμενο Hall στους ημιαγωγούς.


Διδακτικές και μαθησιακές μέθοδοι
Διδασκαλία με χρήση εποπτικών μέσων. Προβολές video παρουσιάσεις σε powerpoint και επίδειξη υποδειγμάτων δομής κλπ.

Μέθοδοι αξιολόγησης/βαθμολόγησης
Γραπτές εξετάσεις επί της θεωρίας και επίλυση ασκήσεων. Βαθμολογία στην κλίμακα 1-10.

Γλώσσα διδασκαλίας
Ελληνικά

Γ.Δ. Πρίφτη, Α.Α. Βραδή, Δ.Λ. Αναστασόπουλου: Εισαγωγή στη Φυσική Στερεάς Καταστάσεως (Πάτρα 2009)
Μ. ALI OMAR: Elementary Solid State Physics(Addison Wesley 1975)
N. W. ASHCROFT and N. D. MERMIN, (1976): Solid State Physics Holt, Rinehart and Winston. J. C. BLAKEMORE, (1985): Solid State Physics, 2nd ed., Cambridge University Press, Cambridge,G. BURNS, (1985): Solid State Physics, Academic Press, London, R. H. BUBE, (1994): Εισαγωγή στη Φυσική της Στερεάς Κατάστασης, ΕΣΠΙ, Αθήνα. Μετάφραση του Electrons in Solids, 3rd ed., Academic Press, New York (1992). G. BUSCH and H. SCHADE, (1976): Lectures on Solid State Physics, Pergamon Press. J.R. CHRISTMAN, (1988): Fundamentals of Solid State Physics, J. Wiley, New York. R. J. ELLIOT and A. F. GIBSON, (1974): An Introduction to Solid State Physics, Macmillan. H. E. HALL (1974): Solid State Physics, "The Manchester Physics Series", J. Wiley. H. IBACH and H. LUTH, (1991): Solid State Physics: An introduction to Theory and Experiment, Springer-Verlag, Berlin. C. KITTEL, (1976): Introduction to Solid State Physics, J. Wiley.
R. LEVY, (1978): Αρχές της Φυσικής Στερεάς Καταστάσεως, Εκδόσεις Γ. Πνευματικού, Αθήνα. Μετάφραση του Principles of Solid State Physics, Academic Press, London (1968).