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

Электронная теория низкоразмерных систем

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра общей и экспериментальной физики
Направление подготовки03.06.01. Физика и астрономия
НаправленностьФизика конденсированного состояния вещества
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость5 ЗЕТ
Учебный план03_06_01_Физ_конд_-234-2020
Часов по учебному плану 180
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 117
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 4

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 2 (4) Итого
Недель 20
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 36 36 36 36
Сам. работа 117 117 117 117
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 180 180 180 180

Программу составил(и):
д-р физ.-мат. наук, доцент, Макаров Сергей Викторович

Рецензент(ы):
канд. физ.-мат. наук, доцент, Рудер Давыд Давыдович

Рабочая программа дисциплины
Электронная теория низкоразмерных систем

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.06.01 ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ (уровень подготовки кадров высшей квалификации). (приказ Минобрнауки России от 30.07.2014 г. № 867)

составлена на основании учебного плана:
03.06.01 Физика и астрономия
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра общей и экспериментальной физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 11
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
Плотников Владимир Александрович


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра общей и экспериментальной физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 11
Заведующий кафедрой Плотников Владимир Александрович


1. Цели освоения дисциплины

1.1.Формирование у специалистов теоретических знаний и практических навыков по использованию современного междисциплинарного подхода, известного как электронная структура твердого тела. Дисциплина обеспечивает приобретение знаний в соответствии с государственным образовательным стандартом, содействует фундаментализации образования и развитию логического мышления.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.02

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

УК-1 способностью к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях
ОПК-1 способностью самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий
ПК-1 способность владеть: фундаментальными разделами физики, новейшими достижениями физики, теоретическим и экспериментальным аппаратом исследования физических явлений и процессов, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии с профилем программы подготовки аспирантов)
ПК-3 умение выбирать методы и средства решения задач, проводить, методами системного анализа, анализ фундаментальных свойств различных физических процессов и аппаратуры, построенной на их основе, грамотно планировать и осуществлять эксперимент
ПК-6 способность владеть современными компьютерными технологиями моделирования физических процессов и использовать знания в области информационных технологий, современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.основные методы получения материалов. Основы организации и планирования эксперимента с целью формирования информационной базы данных о явлениях и процессах
3.2.Уметь:
3.2.1.использовать новейшие достижения в физики в научно-исследовательской деятельности. Использовать информационный банк данных о физических процессах и явлениях с целью создания новых материалов с заданными свойствами
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.основными навыками постановки задачи в научно-исследовательской деятельности, профессиональными навыками в организации и планировании физических исследований

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1.
1.1. Введение. Уравнение Шредингера для кристалла. Гамильтониан кристалла Лекции 4 4 ПК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.2. Адиабатическое приближение. Ядерное уравнение. Метод самосогласованного поля Хартри-Фока Лекции 4 4 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.3. Одноэлектронное приближение. Теорема Купмэнса. Зонное уравнение. Теорема Блоха. Свойства квазиволнового вектора. Граничные условия Борна-Кармана Лекции 4 4 ОПК-1, ПК-1, ПК-6 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.4. Зонный характер электронного спектра в кристалле. Классификация твердых тел по зонному спектру. Лекции 4 4 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.5. Свойства блоховских функций и энергий. Влияние симметрии кристалла на классификацию электронных состояний Лекции 4 4 ПК-1, ПК-6 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.6. Элементы зонной теории твердых тел Лекции 4 4 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.7. Схемы представления зонного спектра. Зонный спектр алмазоподобных полупроводников Лекции 4 4 ПК-1, ПК-3, ПК-6 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.8. Дефекты в кристаллах Лекции 4 4 ПК-1, ПК-6 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.9. Магнитные свойства твердых тел Лекции 4 4 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.10. Введение. Уравнение Шредингера для кристалла. Гамильтониан кристалла Сам. работа 4 13 ПК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.11. Адиабатическое приближение. Ядерное уравнение. Метод самосогласованного поля Хартри-Фока Сам. работа 4 13 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.12. Одноэлектронное приближение. Теорема Купмэнса. Зонное уравнение. Теорема Блоха. Свойства квазиволнового вектора. Граничные условия Борна-Кармана Сам. работа 4 13 ПК-1, ПК-6 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.13. Зонный характер электронного спектра в кристалле. Классификация твердых тел по зонному спектру Сам. работа 4 13 ПК-1, ПК-6 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.14. Свойства блоховских функций и энергий. Влияние симметрии кристалла на классификацию электронных состояний Сам. работа 4 13 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.15. Элементы зонной теории твердых тел Сам. работа 4 13 ПК-1, ПК-6 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.16. Схемы представления зонного спектра. Зонный спектр алмазоподобных полупроводников Сам. работа 4 13 ПК-1, ПК-6 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.17. Дефекты в кристаллах Сам. работа 4 13 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.18. Магнитные свойства твердых тел Сам. работа 4 13 ПК-1, ПК-6, УК-1 Л1.3, Л1.2, Л2.2, Л1.1, Л2.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
1.Уравнение Шредингера для кристалла. Гамильтониан кристалла. Адиабатическое приближение. Ядерное уравнение. Метод самосогласованного поля Хартри-Фока. Одноэлектронное приближение. Теорема Купмэнса.
2.Зонное уравнение. Теорема Блоха. Свойства квазиволнового вектора. Граничные условия Борна-Кармана. Зонный характер электронного спектра в кристалле. Классификация твердых тел по зонному спектру.
3.Свойства блоховских функций и энергий. Влияние симметрии кристалла на классификацию электронных состояний. Схемы представления зонного спектра. Зонный спектр алмазоподобных полупроводников.
4.Методы расчета зонного спектра. Модель пустой решетки. Метод слабой связи. Зонный спектр вблизи точки вырождения. Спин-орбитальное взаимодействие. Метод сильной связи.
5.Гибридизация атомных состояний. Функции Ванье, их свойства. Эквивалентный гамильтониан. К-Р метод. Тензор обратной эффективной массы, влияние симметрии. Плотность электронных состояний. Особенности Ван-Хова. Поверхность Ферми. Плотность валентного заряда. Природа химической связи.
6.Динамика электрона во внешнем медленно меняющемся поле. Метод эффективной массы. Огибающая волновая функция. Полуклассическое приближение. Понятие о дырках валентной зоны, параметры дырок. Движение электрона в постоянном электрическом поле. Осцилляции Блоха-Зиннера, условия их наблюдения. Междузонное зиннеровское туннелирование.
7.Движение электрона в постоянном магнитном поле. Диамагнитный резонанс. Мелкие примесные центры. Доноры и акцепторы. Экситоны. Теория Мотта, границы применимости.
8.Электронные состояния в резко-изменяющемся потенциале. Глубокие уровни в полупроводниках. Элементарная теория глубоких уровней. Типы глубоких примесей.
9.Таммовские поверхностные состояния. Поверхностные состояния в бинарных соединениях. Зависимость поверхностных состояний от ориентации границы.
10.Квантовая теория электронного спектра во внешнем поле. Штарковская лестница электронных состояний в сильном электрическом поле. Локализация волновых функций в квантовых ямах.
11.Уровни Ландау в квантующем магнитном поле, их вырождение. Плотность электронных состояний в магнитном поле.
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
1. Дифракция в кристаллах.
2. Основные формулы кристаллографии для кубических кристаллов.
3. Кристаллические структуры.
4. Вакансии и междоузельные атомы.
5. Твёрдые растворы.
6. Диффузия.
7. Кристаллография пластической деформации.
8. Дислокации.
9. Диаграммы состояния двойных металлических сплавов.
10. Разрушение материалов и испытания на ударную вязкость.
11. Основные типы связей в твердых телах.
12. Динамика решетки.
13. Тепловые свойства твердых тел.
14. Электроны в металлах. Свободный электронный газ Ферми.
15. Зонная теория твердых тел. Электрические свойства твердых тел.
16. Магнитные свойства твердых тел.
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
см. приложение (ФОС)

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Гуртов В. А. , Осауленко Р. Н. Физика твердого тела для инженеров [Электронный ресурс]: учебное пособие М.: Техносфера, 2012 biblioclub.ru
Л1.2 Корнилович А.А., Ознобихин В.И., Суханов И.И., Холявко В.Н. Физика твердого тела [Электронный ресурс]: учебное пособие Новосибирск: НГТУ, 2012 biblioclub.ru
Л1.3 Стрекалов Ю.А., Тенякова Н.А. Физика твердого тела [Электронный ресурс]: учебное пособие М.:РИОР, 2012 znanium.com
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Кудреватых Н.В., Волегов А.С. Физика металлов. Редкоземельные металлы и их соединения [Электронный ресурс]: учебное пособие для вузов М. : Юрайт, 2018 biblio-online.ru
Л2.2 Епифанов И.Г. Физика твердого тела [Электронный ресурс] : учебное пособие СПб.:Лань, 2011 e.lanbook.com
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 http://e.lanbook.com
Э2 Электронная теория низкоразмерных систем, автор Макаров С.В. portal.edu.asu.ru
6.3. Перечень программного обеспечения
Open Office
MS Office, Word, Excel, PowerPoint, Access, MS Paint
Adobe Photoshop
WinRAR, WinZIP
CourseLab 2.7
Far Manager, Total Commander
Internet Explorer, Google Chrome
Microsoft Windows
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем
www.gpntb.ru/ Государственная публичная научно-техническая библиотека
www.nlr.ru/ Российская национальная библиотека
Статьи из российских научных журналов. Адрес библиотеки: http://elibrary.ru/defaultx.asp
www.rsl.ru/ Российская государственная библиотека
www.e.lanbook.com
www.elibrary.ru
www.intuit.ru/ Образовательный сайт
Открытая физика (часть I) http://physics.ru/courses/op25part1/content/content.html#.V80iwVuLTcs
Открытая физика (часть II) http://physics.ru/courses/op25part2/content/content.html#.V80jOVuLTcs
http://vestnik.osu.ru/2007_12/28.pdf TEM
http://irmt.ru/index.php/experbase/tem

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
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, мультимедийное оборудование стационарное или переносное)
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

см. приложение (ФОС)