Đề cương môn học Đại Học Quốc Gia TP HCM Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Công nghệ Vật liệu Vietnam National University – HCMC Ho Chi Minh City University of Technology Faculty of Materials Technology Đ[.]
Trang 1Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công nghệ Vật liệu
Vietnam National University – HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology
Đề cương môn học
VẬT LÝ CHẤT RẮN (SOLID STATE PHYSICS)
Hình thức đánh giá - Kiểm tra: tự luận, trắc nghiệm, vấn đáp, 60 phút
- Thi: trắc nghiệm, tự luận, 90 phút
Môn tiên quyết
Môn học trước Vật lý
Môn song hành Cơ sở khoa học vật liệu
CTĐT ngành Kỹ thuật Vật liệu
Trình độ đào tạo Đại học
Ghi chú khác
1 Mục tiêu của môn học
Môn học giới thiệu những nguyên lý cơ bản của Vật lý Chất rắn dành cho sinh viên đã có kiến thức
cơ sở về Cơ học Lượng tử và Vật lý Nguyên tử trong chương trình Vật lý Đại cương Những vấn đề liên quan đến các quá trình vận động trong mạng tinh thể được khảo sát, xuất phát từ tính chất tuần hoàn tịnh tiến Từ đó rút ra các tính chất nhiệt, điện và quang của chất rắn.
Aims:
This course introduces the basic principles of Solid State Physics for student who already have basic knowledge of Quantum Mechanics and Atomic Physics in General Physics program The issues related to the movement processes in crystal lattice are studied, derived from translation periodic property, from which to draw the thermal, electrical and optical properties of solids.
2 Nội dung tóm tắt môn học:
Mạng đảo, sự lan truyền của sóng, khí điện tử tự do trong kim loại, cấu trúc vùng năng lượng, phonon, các tính chất điện, nhiệt và quang của chất rắn, sự vận chuyển của điện tử – lỗ trống, chất bán dẫn.
Course outline:
Reciprocal lattice, wave propagation, free electron gas in metal, energetic band structure, phonon, electrical, thermal and optical properties of solids, the transport of electrons – holes, semiconductor.
Trang 23 Tài liệu học tập
Sách, Giáo trình chính:
[1] Cơ Sở Vật lý chất rắn – Đào Trần Cao
[2] Solid State Physics – Ashcroft, Neil W, Mermin, David N.
[3] Solid State Physics – An Introduction to Principles of Materials Science – Harald Ibach, Hans Luth.
[4] Introduction to Solid State Physics – Charles Kittel
4 Hiểu biết, kỹ năng, thái độ cần đạt được sau khi học môn học
L.O.1 Mô tả các loại cấu trúc tinh thể khác nhau dựa trên mạng tinh thể và cơ
sở bao gồm các nguyên tử.
2.1
L.O.1.1 – Hiểu tính chất tuần hoàn tịnh tiến, các khái niệm ô đơn vị, ô
nguyên tố
L.O.1.2 – Xác định cấu trúc tinh thể, mật độ nguyên tử và các chỉ số
miller
2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.2.12 L.O.2 Xây dựng lý thuyết nhiễu xạ tia X trong hình thức luận của mạng đảo
(không gian k) và áp dụng kiến thức này để tổng quát hóa đối với các
sóng vật chất.
2.1, 2.2 1.1
L.O.2.1 – Xây dựng mạng đảo và rút ra các tính chất của nó.
L.O.2.2 – Mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X, định luật Bragg.
L.O.2.3 – Rút ra các dạng phương trình mô tả nhiễu xạ tia X
L.O.2.4 – Các phương pháp thực nghiệm xác định cấu trúc tinh thể
2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.1.2 2.2.2 L.O.3 Xây dựng lý thuyết dao động của mạng (phonon) và sử dụng nó để xác
định các tính chất nhiệt của chất rắn.
2.1, 2.3 1.1 L.O.3.1 – Hiểu các tính chất cơ bản của các modes dao động của mạng
tinh thể từ mô hình mạng một chiều và tổng quát hóa cho mạng 3D.
L.O.3.2 – Lập luận về sự lượng tử hóa của sóng đàn hồi, động lượng của
phonon.
L.O.3.3 – Rút ra các tính chất nhiệt của tinh thể (nhiệt dung, độ dẫn
nhiệt).
2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.3.1 1.1.2
L.O.4 Dẫn ra mô hình điện tử tự do và cho thấy nó có thể được dùng để giải
thích nhiều tính chất của kim loại 1.1, 1.2, 2.1 L.O.4.1 – Xây dựng mô hình khí điện tử tự do Fermi, hàm Fermi.
L.O.4.2 – Dẫn ra biểu thức nhiệt dung của khí điện tử.
L.O.4.3 – Mô tả chuyển động của điện tử trong trường điện từ, độ dẫn
điện và định luận Ohm.
1.1.2 1.2.5 2.1.1 2.1.2 2.1.3 L.O.5 Xây dựng bài toán điện tử trong trường thế năng tuần hoàn và kiểm tra
các hệ quả của nó đối với cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn.
1.1, 2.1
L.O.5.1 – Hiểu về sự hình thành các vùng năng lượng là hệ quả của sự
phủ hàm sóng và tính chất tuần hoàn tịnh tiến.
2.1.2 2.1.3
Trang 3L.O.5.2 – Mô tả phép gần đúng một điện tử Biểu diễn định lý Bloch.
L.O.5.3 – Giải thích hiệu ứng của mạng đối với sự vận động của điện tử
trong chất rắn theo quan điểm của mô hình điện tử gần tự do và điện tử
liên kết chặt.
1.1.2
L.O.6 Giải thích các tính chất cơ bản của chất bán dẫn và liên hệ chúng với các
L.O.6.1 – Hiểu các khái niệm khối lượng hiệu dụng của điện tử, bản chất
và các tính chất của lỗ trống.
L.O.6.2 – Dẫn ra biểu thức mật độ điện tử và lỗ trống ở điều kiện cân
bằng nhiệt của bán dẫn tinh khiết và bán dẫn tạp chất.
L.O.6.3 – Mô tả sơ đồ vùng năng lượng của bán dẫn, mức Fermi, mức
tạp chất donor và mức tạp chất acceptor.
1.2.5 2.1.2 2.1.3
L.O.7 Áp dụng kiến thức nhận được để lựa chọn được vật liệu chất rắn có các
tính chất mong muốn.
2.2, 2.3, 2.4 L.O.7.1 – Chỉ ra sự hiện diện của các loại vật liệu trong các linh kiện hay
phần tử Giải thích tại sao chúng được sử dụng.
L.O.7.2 – Đánh giá những vấn đề còn tồn tại trong các mô hình lý thuyết
của chất rắn.
L.O.7.3 – Mở rộng áp dụng của lý thuyết cho các đối tượng khác nằm
ngoài những mô tả trong giáo trình.
L.O.7.4 – Tìm hiểu các vấn đề mới về các tính chất và cấu trúc mới của
chất rắn
2.2.2 2.3.3 2.3.4 2.4.4
L.O.1 Describe different types of crystal structures in terms of the crystal lattice
and the basis of constituent atoms
2.1
L.O.1.1 – Understand translational symmetry, the concepts of unit cells.
L.O.1.2 – Determine the crystal structure, the density of atoms and the
Miller indices of a crystal.
2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.2.12 L.O.2 Formulate the theory of X-ray diffraction in the reciprocal lattice
(k-space) formalism and apply this knowledge to generalize the formulation
for matter waves.
2.1, 2.2 1.1
L.O.2.1 – Formulate reciprocal lattice and derive its properties.
L.O.2.2 – Describe X-ray diffraction, Bragg's Law.
L.O.2.3 – Derive the equations for X-ray diffraction.
L.O.2.4 – Describe applied methods for determining crystal structure.
2.1.1 2.1.2 2.1.3 1.1.2 2.2.2 L.O.3 Formulate the theory of lattice vibrations (phonons) and use that to
determine thermal properties of solids.
2.1, 2.3 1.1 L.O.3.1 – Understand the basic features of the coupled modes of
oscillation of atoms in a crystal lattice using the one-dimensional chain as
a model and generalize it for 3D lattice.
L.O.3.2 – Discuss about quantization of elastic waves, phonon
momentum.
L.O.3.3 – Derive the thermal properties of crystals (specific heat, thermal
conductivity).
2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.3.1 1.1.2 L.O.4 Derive the free electron model and show how this can provide an 1.1, 1.2,
Trang 4explanation for many features of metallic behaviour 2.1 L.O.4.1 – Formulate free electron Fermi gas, Fermi-Dirac distribution.
L.O.4.2 – Derive the equation of heat capacity of the electron gas.
L.O.4.3 – Describe the motion of electron in electromagnetic fiels,
electrical conductivity and Ohm's Law.
1.1.2 1.2.5 2.1.1 2.1.2 2.1.3 L.O.5 Formulate the problem of electrons in a periodic potential, examine its
consequence on the band-structure of the solid.
1.1, 2.1
L.O.5.1 – Understand the formation of energy bands as consequences of
wave function overlap and translational symmetry.
L.O.5.2 – Describe the one electron approximation Express the Bloch
theorem.
L.O.5.3 – Explain the effect of the lattice on the behaviour of electrons in
solids both from the point of view of the nearly-free electron model and
the tight-binding model.
2.1.2 2.1.3 1.1.2
L.O.6 Explain the basic features of semiconductors and relate this to simple
semiconductor devices.
1.2, 2.1
L.O.6.1 – Understand the effective mass of electron; the nature and
properties of holes.
L.O.6.2 – Derive the expression for electron and hole concentration in
thermal equilibrium.
L.O.6.4 – Describe band structure of semiconductor, Fermi level, donor
and acceptor levels.
1.2.5 2.1.2 2.1.3
L.O.7 Apply the knowledge obtained to make a judicious choice of a solid in
terms of its desired property
2.2, 2.3, 2.4, 3.3, 4.1 L.O.7.1 – Identify the materials encountered in the course in a
representative modern device/component, analyze why these are used
L.O.7.2 – Evaluate the current status of theoretical model of Solid State
Physics, what added knowledge is obtained and what draw-backs still
remain.
L.O.7.3 – Generalize the formulation for other objects outside of the
course.
L.O.7.4 – Discussion of new problems in properties and structures of
solids.
2.2.2 2.3.3 2.3.4 2.4.4 3.3.1 4.1.2 4.1.5
5 Hướng dẫn cách học - chi tiết cách đánh giá môn học
Tài liệu được đưa lên BKEL hàng tuần Sinh viên tải về, in ra và mang theo khi lên lớp học Điểm tổng kết môn học được đánh giá xuyên suốt quá trình học
Bài tập: 15%
Thí nghiệm:
Kiểm tra: 25%
Bài tập lớn/Tiểu luận:
Thi: 60%
Điều kiện dự thi: Hoàn tất các bài tập được giao.
Trang 56 Dự kiến danh sách Cán bộ tham gia giảng dạy
7 Nội dung chi tiết
Tuần /
Chương Nội dung Chuẩn đầu ra chi tiết Hoạt động dạy và học Hoạt động đánh giá
0 Giới thiệu về môn
học Vật lý chất
rắn
- Thông tin
Thầy/Cô
- Các vấn đề liên
quan đến môn học
- Cách thức dạy và
học
- Giới thiệu môn
học và tầm quan
trọng của nó
Thầy/Cô:
- Tự giới thiệu
- Tổng hợp danh sách
Sinh viên:
- Ghi nhận các thông tin liên quan đến môn học
L.O.7.1 – Chỉ ra sự hiện diện của các loại vật liệu trong các linh kiện hay phần tử Giải thích tại sao chúng được sử dụng
Thầy/Cô:
- Giới thiệu lướt qua đề cương môn học
- Giải thích mục đích và tầm quan trọng của môn học
- Nêu ví dụ về ứng dụng của Vật lý chất rắn trong nghiên cứu vật liệu
Về nhà:
- Cung cấp các tài liệu tham khảo, chuyển lên website
Sinh viên:
- Thảo luận về cách đánh giá môn học
Về nhà:
- Tìm các ví dụ ứng dụng Vật
lý chất rắn trong công nghệ vật liệu
Bài tập về nhà GHW #1
1 Các tính chất tinh
thể của chất rắn.
- Tính chất tuần
hoàn tịnh tiến và
mạng tinh thể
- Mạng Bravais và
các vec tơ cơ sở
- Ô đơn vị và ô
nguyên tố, ổ
Wigner-Seitz
- Các phép đối
xứng, các cấu trúc
mạng cơ bản
- Chỉ số Miller
L.O.1.1 – Hiểu tính chất tuần hoàn tịnh tiến, các khái niệm ô đơn vị, ô nguyên tố
Thầy/Cô:
- Trình bày các slide chương 1
Sinh viên:
- Thảo luận về cơ sở của mạng tinh thể
- Hiểu sự khác biệt giữa ô đơn
vị và ô nguyên tố
- Nắm được cách biểu diễn mạng bằng các vec tơ cơ sở
Bài tập trên lớp AIC #1, 2
L.O.1.2 – Xác định cấu trúc tinh thể, mật độ nguyên tử và các chỉ số miller
Thầy/Cô:
- Trình bày về phép đối xứng của tinh thể, 14 mạng Bravais trong không gian
- Hướng dẫn sinh viên thiết lập các chỉ số Miller
- Các loại mạng lập phương và lục giác
Bài tập trên lớp AIC #3, 4 Bài tập về nhà GHW #2
Trang 6- Xét các cấu trúc: NaCl, CeCl, Zincblende
Sinh viên:
- Làm các bài tập trên lớp về xác định cấu trúc mạng, chỉ số Miller, mật độ nguyên tử
2 Nhiễu xạ tia X
- Mạng đảo Các
tính chất và ý nghĩa
của mạng đảo
- Nhiễu xạ tia X
Định luật Bragg
- Phương trình
nhiễu xạ tia X Lý
thuyết Laue Hình
cầu Ewald
- Các vùng
Brillouin
- Các hệ số tán xạ
- Phương pháp xác
định cấu trúc tinh
thể
L.O.2.1 – Xây dựng mạng đảo
và rút ra các tính chất của nó Thầy/Cô:- Xây dựng mạng đảo từ tính
chất tuần hoàn tịnh tiến của tinh thể
- Chứng minh các tính chất của mạng đảo
- Vùng Brillouin thứ nhất
Minh họa cho trường hợp 2 chiều và 3 chiều
Sinh viên:
- Hiểu được ý nghĩa vật lý của mạng đảo
Bài tập trên lớp AIC #5
Bài tập về nhà GHW #3
L.O.2.2 – Mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X, định luật Bragg
Thầy/Cô:
- Nhắc lại lý thuyết nhiễu xạ ánh sáng và công thức Braggs
về điều kiện nhiễu xạ bởi tinh thể
- Các nhận xét về nhiễu xạ Bragg bởi tinh thể
Sinh viên:
- Ôn lại về nhiễu xạ ánh sáng
Bài tập trên lớp AIC #6
Bài tập về nhà GHW #4
L.O.2.3 – Rút ra các dạng phương trình mô tả nhiễu xạ tia X
Thầy/Cô:
- Trình bày phương trình nhiễu
xạ Bragg dựa trên mạng đảo
- Nêu phương trình Laue
- Mô tả phương pháp hình cầu Ewald
- Mô tả các vùng Brillouin
Sinh viên:
- Cần phải nắm được các dạng biểu diễn khác nhau của điều kiện nhiễu xạ Bragg
Bài tập về nhà GHW #5
L.O.2.4 – Các phương pháp thực nghiệm xác định cấu trúc tinh thể
L.O.7.3 – Mở rộng áp dụng của lý thuyết cho các đối tượng khác nằm ngoài những
mô tả trong giáo trình
Thầy/Cô:
- Trình bày về các hệ số tán xạ cấu trúc và hệ số tán xạ nguyên tử Các ví dụ áp dụng
- Các kỹ thuật xác định cấu trúc bằng tia X
Sinh viên:
- Tìm thêm các ứng dụng khác của tia X
- Mở rộng lý thuyết đối với các loại sóng khác
Bài tập trên lớp AIC #7
Bài tập về nhà GHW #6
3 Dao động của
mạng tinh thể L.O.3.1 – Hiểu các tính chất cơ bản của các modes dao Thầy/Cô:
- Nhắc lại về dao động điều Bài tập trên lớpAIC #8
Trang 7- Dao động đàn hồi
của môi trường liên
tục
- Vận tốc nhóm của
đoàn sóng điều hòa
- Sóng trong mạng
nguyên tử một
chiều
- Mạng 2 nguyên tử
một chiều
- Phonons
- Phân bố Planck
- Nhiệt dung của
mạng tinh thể: mô
hình Einstein và
mô hình Debye
- Độ dẫn nhiệt
động của mạng tinh thể từ mô hình mạng một chiều và tổng quát hóa cho mạng 3D
hòa, sóng Vận tốc pha và vận tốc nhóm
- Xét dao động tuần tự từ trường hợp mạng một chiều rồi tổng quát hóa cho mạng 3 chiều Nhấn mạnh về các modes dao động của mạng
Sinh viên:
- Ôn lại các kiến thức cơ bản
về dao động và sóng
Bài tập về nhà GHW #7
L.O.3.2 – Lập luận về sự lượng tử hóa của sóng đàn hồi, động lượng của phonon
Thầy cô:
- Nhắc lại khái niệm về sự lượng tử hóa
- Lập luận về phonons
- Các vùng Brillouin
Sinh viên:
- Ôn lại kiến thức cũ: hiện tượng tán sắc, sự lan truyền của sóng âm
- Hiểu về việc mô tả vận động của chất rắn trong không gian đảo
- Đọc thêm về tán xạ không đàn hồi của phonons
Bài tập về nhà GHW #8
L.O.3.3 – Rút ra các tính chất nhiệt của tinh thể (nhiệt dung,
độ dẫn nhiệt)
L.O.7.4 – Discussion of new problems in properties and structures of solids
Thầy cô:
- Nhắc lại về phân bố Planck
- Trình bày lý thuyết nhiệt dung của Einstein và Debye
- Đưa vào khái niệm mật độ trạng thái
- Dẫn ra công thức về độ dẫn nhiệt
Sinh viên:
- Tìm tài liệu đọc thêm về tán
xạ của tia X và ánh sáng bởi photon
Bài tập về nhà GHW #9
Fermi
- Các mức năng
lượng trong giếng
thế năng một chiều
- Hàm phân bố
Fermi-Dirac
- Khí điện tử tự do
trong không gian 3
chiều
- Nhiệt dung của
khí điện tử
- Độ dẫn điện và
định luật Ohm
L.O.4.1 – Xây dựng mô hình khí điện tử tự do Fermi, hàm Fermi
Thầy cô:
- Nhắc lại về cơ học lượng tử, bài toán hạt trong giếng thế năng một chiều
- Giới thiệu các vấn đề cơ bản
về thống kê của hệ các hạt đồng nhất
- Dẫn ra công thức của năng lượng Fermi, mật dộ trạng thái của điện tử
Sinh viên:
- Ôn lại các kiến thức cơ bản
về cơ học lượng tử
Bài tập về nhà GHW #10
L.O.4.2 – Dẫn ra biểu thức nhiệt dung của khí điện tử Thầy cô:- Trình bày nhiệt dung của khí
điện tử, nhiệt dung của kim loại
Bài tập về nhà GHW #11
Trang 8L.O.4.3 – Mô tả chuyển động của điện tử trong trường điện
từ, độ dẫn điện và định luận Ohm
Thầy cô:
- Nêu phương trình chuyển động của điện tử dưới tác dụng của lực Lorentz
- Dẫn ra biểu thức của độ dẫn điện
Sinh viên:
- Ôn lại kiến thức về định luật Ohm, biểu thúc của vec tơ mật
độ dòng điện
Bài tập về nhà GHW #12
5 Lý thuyết vùng
năng lượng
- Nguyên lý hình
thành các vùng
năng lượng
- Gần đúng một
điện tử
- Hàm Bloch
- Phép gần đúng
điện tử gần tự do
- Phép gần đúng
điện tử liên kết
chặt
- Các mặt đẳng
năng và mặt Fermi
L.O.5.1 – Hiểu về sự hình thành các vùng năng lượng là
hệ quả của sự phủ hàm sóng và tính chất tuần hoàn tịnh tiến
L.O.7.2 – Đánh giá những vấn
đề còn tồn tại trong các mô hình lý thuyết của chất rắn
Thầy cô:
- Trình bày các nguyên lý của
sự hình thành các vùng năng lượng
- Giải thích tính chất dẫn điện của kim loại, bán dẫn và điện môi dựa vào cấu trúc vùng năng lượng
Sinh viên:
- Ôn lại phổ năng lượng của điện tử trong nguyên tử và phân tử
Bài tập trên lớp AIC #8
L.O.5.2 – Mô tả phép gần đúng một điện tử Biểu diễn định lý Bloch
Thầy cô:
- Trình bày phép gần đúng một điện tử
- Định lý Bloch và ý nghĩa vật
lý của nó
Sinh viên:
- Q&A
- Xem lại khái niệm vùng Brillouin
L.O.5.3 – Explain the effect of the lattice on the behaviour of electrons in solids both from the point of view of the nearly-free electron model and the tight-binding model
Thầy cô:
- Giải bài toán của phép gần đúng điện tử gần tự do Nhận xét về sơ đồ vùng năng lượng
- Giải bài toán của phép gần đúng điện tử liên kết chặt
Phân tích kết quả
Sinh viên:
- Nắm vững những ý nghĩa vật
lý của các bài toán
- Hiểu các cách biểu diễn vùng năng lượng
- Tự đọc thêm về mặt đẳng năng và mặt Fermi
Bài tập về nhà GHW #13
- Vùng cấm.
- Phương trình
chuyển động của
điện tử
- Lỗ trống
- Khối lượng hiệu
L.O.6.1 – Hiểu các khái niệm khối lượng hiệu dụng của điện
tử, bản chất và các tính chất của lỗ trống
Thầy cô:
- Nêu vắn tắt về cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn
- Dẫn ra phương trình chuyển động của điện tử
- Rút ra khái niệm khối lượng hiệu dụng, lỗ trống và áp dụng
Bài tập trên lớp AIC #9 Bài tập về nhà GHW #14
Trang 9- Bán dẫn tinh khiết
và bán dẫn pha tạp:
mật độ hạt mang
điện, trạng thái
donor và acceptor
- Các hiệu ứng
nhiệt điện
cho trường hợp của bán dẫn
Sinh viên:
- Áp dụng các khái niệm trên cho trường hợp bán dẫn Si và Ge
L.O.6.3 – Dẫn ra biểu thức mật
độ điện tử và lỗ trống ở điều kiện cân bằng nhiệt của bán dẫn tinh khiết và bán dẫn tạp chất
Thầy cô:
- Dẫn ra biểu thức mật độ hạt mang điện của bán dẫn tinh khiết
- Mô tả độ dẫn điện của bán dẫn pha tạp
- Sự ion hóa nhiệt các nguyên
tử tạp chất donor và acceptor
Sinh viên:
- Tự đọc thêm về tính chất dẫn điện của bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ
- Hiểu khái niệm độ linh động của hạt mang điện
Bài tập trên lớp AIC #10
Bài tập về nhà GHW #15
L.O.6.3 – Mô tả sơ đồ vùng năng lượng của bán dẫn, mức Fermi, mức tạp chất donor và mức tạp chất acceptor
Thầy cô:
- Mô tả cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn, mức Fermi
- Các trạng thái tạp chất và sự dịch chuyển mức Fermi trong bán dẫn pha tạp
Sinh viên:
- Nắm vững và tự vẽ lại sơ đồ vùng năng lượng
8 Thông tin liên hệ
Bộ môn/Khoa phụ trách
Văn phòng
Điện thoại
Giảng viên phụ trách
Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014