МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Физикохимия твердого тела

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра физической и неорганической химии
Направление подготовки04.03.01. Химия
ПрофильАналитическая химия; Органическая и биоорганическая химия; Физическая химия и нанотехнологии функциональных материалов
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость3 ЗЕТ
Учебный план04_03_01_Химия-1-2019
Часов по учебному плану 94
в том числе:
аудиторные занятия 54
самостоятельная работа 40
Виды контроля по семестрам
зачеты: 7

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 4 (7) Итого
Недель 18
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 14 14 14 14
Лабораторные 20 20 20 20
Практические 20 20 20 20
Сам. работа 40 40 40 40
Итого 94 94 94 94

Программу составил(и):
кандидат химических наук, доцент, Шипунов Б.П.

Рецензент(ы):
кандидат химических наук, доцент, Стась И.Е.;кандидат химических наук, доцент, Ильина Е.Г.

Рабочая программа дисциплины
Физикохимия твердого тела

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 04.03.01 Химия (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 17.07.2017г. №671)

составлена на основании учебного плана:
04.03.01 Химия
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 9.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра физической и неорганической химии

Протокол от 05.07.2018 г. № 13
Срок действия программы: 2018-2019 уч. г.

Заведующий кафедрой
Безносюк С.А. д.ф.-м.н., профессор


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании кафедры

Кафедра физической и неорганической химии

Протокол от 05.07.2018 г. № 13
Заведующий кафедрой Безносюк С.А. д.ф.-м.н., профессор


1. Цели освоения дисциплины

1.1.Цель преподавания дисциплины: научить студентов осознано и корректно применять современные модельные представления о взаимосвязи между физическими свойствами, электронной и пространственной структурой кристаллов и жидкостей, применению современных и оригинальных методов исследования веществ основанные на физико-химических измерениях.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.02.01

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-3 Способен применять расчетно-теоретические методы для изучения свойств веществ и процессов с их участием с использованием современной вычислительной техники
ПК-1 Способен проводить анализ качества сырья и материалов, поступающих в биотехнологическую организацию
ПК-2 Способен разрабатывать предложения по повышению качества получаемых биопрепаратов для растениеводства посредством замены исходного сырья
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.теоретические основы физических процессов движения электронов в кристалле и закономерности их описывающие особенности поведения электронов сильных и слабых электрических, магнитных и тепловых полях, способы практического использования наблюдаемых эффектов и явлений.
основные теоретические модели и основы физического эксперимента.
закономерности распределение концентрации примеси в кристалле в результате направленной кристаллизации и зонной плавки.
3.2.Уметь:
3.2.1.- сопоставлять данные физических измерений со свойствами и структурой кристаллов их потребительскими свойствамих.
-определять термическую и оптическую ширину запрещенной зоны, подвижность и концентрацию носителей, высоту потенциального барьера контакта Ме-пп.
-Вычислять распределение концентрации примеси в кристалле в результате направленной кристаллизации и зонной плавки.
- сопоставлять данные физических измерений со свойствами и структурой кристаллов их потребительскими свойствами.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.Расчета электропроводности, ширины запрещенной зоны, высоты барьера на границе МЕ-пп и p-n перехода, монтажа установок для таких измерений.
Вычисления концетрации примеси в результате направленной кристаллизации и\или зонной плавки.
Работы с учебной и научной литературой по дисциплине, методами проведения эксперимента и интерпретации результатов физических измерений к свойствам кристаллов, навыками расчёта профиля концентраций примеси при различных методах очистки.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Зонная теория твердого тела.
1.1. Приближение Кронига-Пени. Преодоление потенциального барьера. Уравнение Шредингера для плоской волны. Прозрачность потенциального барьера. Решение для случая свободного, связанного и сильно связанного электрона. Граничные условия Борна-Кармана. Расщепление уровней в кристалле, образование зон. Дефекты кристаллической решетки. Точечные, линейные, плоскостные, объемные. Влияние дефектов на свойства полупроводников. Лекции 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.2. Расщепление уровней в кристалле, образование зон. Дефекты кристаллической решетки. Точечные, линейные, плоскостные, объемные. Влияние дефектов на свойства полупроводников Сам. работа 7 3 ОПК-3, ПК-1, ПК-2
1.3. Расщепление уровней в кристалле, образование зон. Дефекты кристаллической решетки. Точечные, линейные, плоскостные, объемные. Влияние дефектов на свойства полупроводников Практические 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.4. Уравнение Шредингера. Волна де Бройля. Вывод вида оператора Гамильтона. Приближения, используемые при решении уравнения Шредингера. Адиабатическое приближение. Метод самосогласованного поля, одноэлектронное приближение. Выбор вида функции при решении уравнения Шредингера. Сам. работа 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.5. Уравнение Шредингера. Волна де Бройля. Вывод вида оператора Гамильтона. Приближения, используемые при решении уравнения Шредингера. Практические 7 4 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
Раздел 2. Статистика электронов и дырок в полупроводнике
2.1. Статистика электронов в полупроводнике. Функция распределения Ферми-Дирака. Сам. работа 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
2.2. Расчет критериальных параметров вырождения для кристаллов с различной зонной структурой Практические 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
2.3. Подготовка к семинару по теме "Расчет критериальных параметров вырождения для кристаллов с различной зонной структурой" Сам. работа 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
2.4. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника термическим методом Лабораторные 7 2 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
2.5. Подготовка к лабораторной работе по теме "Определение ширины запрещенной зоны полупроводника термическим методом" Сам. работа 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
Раздел 3. Электропроводность полупроводников
3.1. Дрейфовая скорость. Время релаксации. Подвижность. Перенос носителей по зоне. Вывод общего уравнения для плотности тока. Рассеяние носителей. Механизм рассеяния. Лекции 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
3.2. Температурная зависимость удельной электропроводности. Сам. работа 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
3.3. Температурная зависимость удельной электропроводности. Практические 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
3.4. Температурная зависимость удельной электропроводности. Сам. работа 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
3.5. Определение удельного сопротивления пленок и кристаллов 4-х зондовым методом Лабораторные 7 2 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
3.6. Подготовка к лабораторной работе по теме "Определение удельного сопротивления пленок и кристаллов 4-х зондовым методом" Сам. работа 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
3.7. Определение термической ширины запрещённой зоны Лабораторные 7 2 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
3.8. Подготовка к лабораторной работе «Определение термической ширины запрещённой зоны Сам. работа 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
Раздел 4. Гальваномагнитные явления
4.1. Эффект Холла. Случай ограниченного кристалла. Вычисление концентрации и знака носителей Лекции 7 1 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
4.2. Эффект Холла. Случай ограниченного кристалла. Вычисление концентрации и знака носителей Сам. работа 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
4.3. Эффект Холла. Случай ограниченного кристалла. Вычисление концентрации и знака носителей Практические 7 2 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
4.4. Определение концентрации носителей методом Холла Лабораторные 7 4 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
4.5. определние подвижности носителей. Магниторезистивный эффект Лабораторные 7 4 ОПК-3, ПК-1, ПК-2
4.6. Эффект Гаусса. Зависимость подвижности от напряженности магнитного поля Лекции 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
4.7. Эффект Гаусса. Зависимость подвижности от напряженности магнитного поля Сам. работа 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
Раздел 5. Теплопроводность полупроводников
5.1. Перенос тепловой энергии в полупроводниках. Эффекты Пельтье, Зеебека, Томсона. Лекции 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
5.2. Перенос тепловой энергии в полупроводниках. Эффекты Пельтье, Зеебека, Томсона. Сам. работа 7 2 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
5.3. Перенос тепловой энергии в полупроводниках. Эффекты Пельтье, Зеебека, Томсона. Практические 7 1 ПК-1 Л2.2, Л1.1, Л1.2
5.4. Термо-э.д.с. Сам. работа 7 1 ПК-1 Л2.2, Л1.1, Л1.2
Раздел 6. Оптические свойства
6.1. Виды поглощения. Спектральные свойства. Фотоэлектрические явления. Фоторезистивный эффект Лекции 7 1 ПК-1 Л2.2, Л1.1, Л1.2
6.2. Виды поглощения. Спектральные свойства. Фотоэлектрические явления. Фоторезистивный эффект Сам. работа 7 2 ПК-1 Л2.2, Л1.1, Л1.2
6.3. Виды поглощения. Спектральные свойства. Фотоэлектрические явления. Фоторезистивный эффект Практические 7 2 ПК-1 Л2.2, Л1.1, Л1.2
Раздел 7. Контактные явления
7.1. Контакт Металл-полупроводник. Возникновение потенциального барьера на контакте Лекции 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
7.2. Контакт Металл-полупроводник. Возникновение потенциального барьера на контакте Сам. работа 7 4 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
7.3. Контакт Металл-полупроводник. Возникновение потенциального барьера на контакте Практические 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
7.4. Р-п переход Лекции 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
7.5. Р-п переход Сам. работа 7 2 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
7.6. Р-п переход Практические 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
Раздел 8. Термодинамика реальных кристаллов
8.1. Классификация по составу: элементарные, двойные, тройные. Признаки полупроводниковых свойств. Равновесная концентрация дефектов по Шоттки. Теоретический предел совершенства Лекции 7 1 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.2. Равновесная концентрация дефектов по Шоттки. Теоретический предел совершенства. Сам. работа 7 2 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.3. Равновесная концентрация дефектов по Шоттки. Теоретический предел совершенства Сам. работа 7 2 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.4. Расчёт степени совершенства для кристаллов разных типов Практические 7 2 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.5. Сложные дефекты, взаимодействие дефектов. Собственное равновесие в кристалле. Гомогенное равновесие. Равновесие пар – кристалл. Фазы переменного состава. Лекции 7 1 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.6. Собственное равновесие в кристалле. Гомогенное равновесие Практические 7 2 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.7. Подготовка к практическому занятию по теме " Собственное равновесие в кристалле. Гомогенное равновесие " Сам. работа 7 2 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.8. Методы очистки. Физико-химические методы. Специальные методы. Метод кристаллизации. Коэффициент распределения. Метод направленной кристаллизации. Зонная плавка. Лекции 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.9. Подготовка к практическому занятию по теме " Метод кристаллизации. Коэффициент распределения. Метод направленной кристаллизации. Зонная плавка " Сам. работа 7 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2
8.10. Метод кристаллизации. Коэффициент распределения. Метод направленной кристаллизации. Зонная плавка Лабораторные 7 2 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.11. Методы синтеза кристаллов. Синтез из нелетучих компонентов, синтез с летучим компонентом, химические методы синтеза. Лекции 7 2 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.12. Методы синтеза кристаллов. Синтез из нелетучих компонентов, синтез с летучим компонентом, химические методы синтеза Сам. работа 7 2 ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.13. Методы синтеза кристаллов. Синтез из нелетучих компонентов, синтез с летучим компонентом, химические методы синтеза Практические 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.14. Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша. Лекции 7 1 ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.15. Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша. Сам. работа 7 2 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.16. Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша. Лабораторные 7 4 ОПК-3, ПК-1, ПК-2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.17. Подготовка к семинару по теме " Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша. " Сам. работа 7 4 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
8.18. Практическое занятие " Выращивание монокристаллов. Выращивание из расплавов, выращивание из растворов, химические методы синтеза. Термодинамическая теория роста кристаллов. Критический размер зародыша." Практические 7 1 ПК-1 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
не предусмотрено
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
не предусмотрено
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
в приложении

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Зегря, Г.Г. Основы физики полупроводников : Москва : Физматлит, 2009 e.lanbook.com
Л1.2 А.А. Ремпель, .А.И. Гусев Нестехиометрия в твердом теле : Москва : Физматлит, 2018 e.lanbook.com
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Брандт Н.Б., Кульбачинский В.А. Квазичастицы в физике конденсированного состояния: Учебные пособия Издательство "Физматлит", 2010 e.lanbook.com
Л2.2 Бурбаева Н.В. Основы полупроводниковой электроники: Учебные пособия Издательство "Физматлит", 2012 e.lanbook.com
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 http://e.lanbook.com
Э2 http://www.rsl.ru
Э3 http://ben.irex.ru
Э4 http://www.gpntb.ru
Э5 http://ban.pu.ru
Э6 http://www.nlr.ru
Э7 http://www.elibrary.ru
Э8 http://www.chem.msu.su
Э9 http://www.lib.msu.su
Э10 http://www.kge.msu.ru
Э11 http://www.lib.asu.ru
Э12 http://www.chem.port.ru/
Э13 http://www.pstlib.nsc.ru/
Э14 http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2006/01/23/194820_2
Э15 http://www.lsbu.ac.uk/water/magnetic.html#bf
Э16 http://www.navolne.ru/w_info2.htm
Э17 http://infokonstruktor.ru/tehnologii/voda.htm#anchor002
Э18 http://www.magshells.com/history.html
6.3. Перечень программного обеспечения
• Операционная система (Microsoft Windows и др.).
• Офисные приложения (Microsoft Office Word, Exel, PowerPoint и др.).
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем
1. http://www.chem.asu.ru/
2. http://www.chem.port.ru/
3. http://www.ars.org/portalchemistry/
4. http://www.pstlib.nsc.ru/
5. http://www.e.lanbook.com/
6. http://www.lib.asu.ru/

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
517К учебно-исследовательская лаборатория физико-химии и электрохимии материалов - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 15 посадочных мест; рабочее место преподавателя; столы ученический - 4 шт.; стол преподавателя - 2 шт.; шкаф книжный - 1 шт.; стол лабораторный - 6 шт.; вытяжной шкаф - 1 шт.; стол весовой - 1 шт.; экран рулонный; дистиллятор; ДмЭ-1\БрН-метр 150; весы ВЛКТ-500; мешалка магнитная ММ-5; генератор Г4-102А; ампервольтметр Ц4311; микроскоп Метавал; микроскоп МИИ-4
107аК лаборатория химических технологий - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Лабораторная мебель на 8 посадочных мест; рабочее место преподавателя; стол весовой; вытяжной шкаф; электрическая плитка – 2 ед.; милливольтметр амперметр м2020, М2038; полярограф ПЛС-1; самописец 622-01; магазин сопротивлений Р33, весы ВМ 153II, вольтметрВ7-78\1, рН-150МИ, кондуктометр КП-150МИ, генератор Г4-119А, генератор Г3-19А, стабилизатор 3222, штативы лабораторные с лапками, посуда лабораторная
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Дисциплина «Физико-химия конденсированного состояния» включает несколько форм освоения материала. В первую очередь – лекционный материал. В процессе прослушивания лекций необходимо осознанно создавать представление о современных моделях, которые адекватно описывают электрические, оптические, магнитные и тепловые свойства кристаллов, сформировать системное представление об основных закономерностях, описывающих взаимосвязь строения и структуры кристаллов с их физическими свойствами. Лабораторные занятия позволяют сформировать умение интерпретировать результаты физических измерений к свойствам кристаллов и привить навыки лабораторного эксперимента. Практические занятия служат инструментом, позволяющим с помощью теоретических моделей описывать и предсказывать свойства кристаллов, их область практического использования.
Практические занятия формируют навыки вычислений таких параметров как чувствительность датчиков Холла к угловому перемещению, методам определения ширины запрещённой зоны, датчикам температуры и пр. При подготовке к лекциям необходимо восстановить предыдущий материал, при наличии вопросов, сформулировать их и задать преподавателю как проблемную ситуацию. При подготовке к практическому занятию необходимо детально ознакомиться с теоретическими моделями, описывающими свойства кристаллов, областью применения таких моделей и математической формулировкой таких законов. При выполнении практических (лабораторных) занятий главное внимание следует сконцентрировать на процедуре измерений, которые позволяют получить данные о количественной взаимосвязи между величиной внешнего (нами задаваемого) воздействия и измеряемым откликом на это воздействия. Коэффициентом пропорциональности, как правило, является то, или иное свойство кристалла. Главное – освоить навыки экспериментального определения базовых свойств кристаллов, с тем, чтобы в практической деятельности реализовать навыки для любого аналогичного случая. При выполнении лабораторных работ следует руководствоваться методическими указаниями, размещёнными на сайте ЭУМКД соответствующей дисциплины. Следует внимательно ознакомиться с техникой измерения, особенностями используемого оборудования, последовательностью операций и вычислением необходимых параметров. Результатов следует оформлять в соответствии с общепринятой методикой, учитывая достоверность и надёжностью результатов на основе сопоставления с табличными значениями и величиной доверительного интервала.

Работа с литературой включает в себя: а) отбор и изучение литературы по теме б) сбор материала, его изучение, анализ и обобщение. При чтении книг, статей и др. необходимый материал фиксируется в виде: - цитирования с указанием источника информации, автора цитаты, - ксерокопий или сканирования текста, - конспектов статей. Все необходимые данные о книгах, справочниках, пособиях записываются для последующего составления списка литературы.