chất bán dẫn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------- ----------

ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC

VẬT LÝ CHẤT RẮN

1. Thông tin về giảng viên:

- Họ và tên: Nguyễn Ngọc Long

- Chức danh, học hàm, học vị: Phó Giáo sư - Tiến sĩ

- Thời gian, địa điểm làm việc: Khoa Vật lý - ĐHKHTN

- Địa chỉ liên hệ: 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội

- Điện thoại: (04) 7843486 (NR), 0913038005

- Email: [email protected]

- Các hướng nghiên cứu chính: Vật lý chất rắn.

- Thông tin về trợ giảng (nếu có) (họ tên, địa chỉ liên hệ, điện thoại, email):

2. Thông tin về môn học :

- Tên môn học: Vật lý chất rắn

- Mã môn học:

- Số tín chỉ: 2

- Giờ tín chỉ đối với các hoạt động học tập:

+ Nghe giảng lý thuyết trên lớp: 21 tiết

+ Làm bài tập trên lớp: 4 tiết

+ Thảo luận trên lớp: 2 tiết

+ Thực hành trong phòng thí nghiệm

+ Thực tập thực tế ngoài trường

+ Tự học : 3 tiết

- Đơn vị phụ trách môn học:

+ Bộ môn: Vật lý chất rắn

+ Khoa: Vật lý

- Môn học tiên quyết: Vật lý đại cương, Cơ lượng tử, Vật lý thống kê

- Môn học kế tiếp: Vật lý bán dẫn, Vật lý các hiện tượng từ, Vật lý siêu dẫn, Vật lý kim loại, Quang học bán dẫn…

1 1

mailto:[email protected]

3. Mục tiêu của môn học

Mục tiêu về kiến thức:

- Học phần Vật lý chất rắn đại cương trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản nhất về vật rắn tinh thể. Nắm vững các khái niệm cơ bản này sinh viên sẽ có điều kiện thuận lợi để học sâu hơn về các lĩnh vực vật lý bán dẫn, vật lý điện môi, từ học, quang học bán dẫn v.v...

Mục tiêu về kỹ năng :

- Sinh viên hiểu được bản chất các quá trình, các hiện tượng vật lý trong vật rắn, nắm được các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm nghiên cứu các quá trình, hiện tượng cơ bản trong vật rắn, giải được các bài tập ở mức độ trung bình.

4. Tóm tắt nội dung môn học

- Học phần Vật lý chất rắn đại cương trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản nhất về vật rắn tinh thể như: cấu trúc mạng tinh thể; các loại liên kết trong vật rắn; dao động của mạng tinh thể và tính chất nhiệt của vật rắn; điện tử tự do và tính chất dẫn điện của vật rắn; lý thuyết vùng năng lượng của vật rắn; các tính chất bán dẫn điện, tính chất điện môi, tính chất từ, tính chất quang và tính chất siêu dẫn của vật rắn. Đặc biệt, học phần còn có một chương dành cho vật liệu cấu trúc nano, loại vật liệu của thế kỷ 21.

5. Nội dung chi tiết môn học

Chương 1: Cấu trúc tinh thể

1.1 Mạng tinh thể

1.2 Các phép đối xứng của mạng tinh thể

1.3 Phân loại các mạng Bravais ba chiều

1.4 Cách biểu thị các nút, các hướng và các mặt trong mạng tinh thể

1.5 Một số cấu trúc tinh thể đơn giản

1.6 Các cấu trúc tinh thể nhân tạo: siêu mạng và giếng lượng tử

1.7 Tóm tắt chương 1

1.8 Câu hỏi và bài tập

Chương 2: Nhiễu xạ tia X bởi tinh thể - Mạng đảo

2.1 Định luật Bragg về nhiễu xạ tia X trong tinh thể

2.2 Các phương trình nhiễu xạ Laue

2.3 Mạng đảo

2.4 Cường độ nhiễu xạ

2.5 Các phương pháp thực nghiệm quan sát nhiễu xạ tia X bởi tinh thể

2.6 Các phương pháp nhiễu xạ khác


2 2


Chương 3: Các loại liên kết trong vật rắn

3.1 Tinh thể ion (NaCl, CsCl, LiF)

3.2 Tinh thể cộng hóa trị (H2, O2, CH4, C, Si, Ge)

3.3 Tinh thể kim loại

3.4 Tinh thể phân tử, tinh thể khí trơ

3.5 Tinh thể với liên kết hyđro

3.6 So sánh các loại liên kết khác nhau

3.7 Hình dạng và kích thước nguyên tử

3.8 Một số phương pháp thông dụng trong kỹ thuật chế tạo đơn tinh thể

3.9Tóm tắt chương 3


Chương 4: Dao động mạng tinh thể

4.1 Lý thuyết cổ điển về dao động mạng tinh thể

4.2 Lý thuyết lượng tử về dao động mạng

4.3 Thực nghiệm xác định hệ thức tán sắc



Chương 5: Tính chất nhiệt của tinh thể

5.1 Nhiệt dung của mạng tinh thể vật rắn

5.2 Độ dẫn nhiệt của vật rắn

5.3 Sự dãn nở nhiệt của vật rắn



Chương 6: Khí electron tự do trong kim loại

6.1 Khí fermi electron tự do trong kim loại

6.2 Mật độ trạng thái và hàm phân bố Fermi-Dirac

6.3 Nhiệt dung của khí electron tự do

6.4 Độ dẫn điện và định luật Ohm

6.5 Sự dẫn nhiệt và dẫn điện của khí electron tự do. Định luật Wiedemann – Franz

6.6 Chuyển động trong từ trường. Hiệu ứng Hall

6.7 Phương trình động Boltzmann

3 3

6.8 Một số quá trình động trong kim loại



Chương 7: Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn

7.1 Phương trình Schrodinger đối với tinh thể lý tưởng

7.2 Hàm sóng và năng lượng của electron trong trường tinh thể tuần hoàn

7.3 Một số phương pháp giải phương trình Schrodinger một electron

7.4 Ba loại sơ đồ vùng

7.5 Kim loại, điện môi, bán dẫn, bán kim theo cấu trúc vùng năng lượng

7.6 Chuyển động của electron và lỗ trống trong tinh thể. Khái niệm khối lượng hiệu dụng. Mặt đẳng năng

7.7 Mặt đẳng năng ở lân cận các điểm cực trị

7.8 Vùng Brillouin và mặt Fermi



Chương 8: Các chất bán dẫn

8.1 Bán dẫn thuần. Nồng độ hạt tải điện. Mức Fermi

8.2 Bán dẫn pha tạp. Nồng độ hạt tải điện. Mức Fermi

8.3 Độ dẫn điện của các chất bán dẫn

8.4 Hiệu ứng Hall trong bán dẫn

8.5 Hiện tượng tiếp xúc



Chương 9: Tính chất từ của vật rắn

9.1 Sơ lược về tính chất từ của vật rắn

9.2 Hiện tượng nghịch từ

9.3 Hiện tượng thuận từ

9.4 Chất sắt từ. Lý thuyết trường phân tử Weiss

9.5 Bản chất trường phân tử

9.6 Chất phản sắt từ

9.7 Cấu trúc đomen



4 4

Chương 10: Tính chất quang của vật rắn

10.1 Phổ phản xạ, phổ truyền qua và phổ hấp thụ

10.2 Các hằng số quang của vật liệu

10.3 Các cơ chế hấp thụ trong tinh thể

10.4 Hấp thụ riêng

10.5 Hấp thụ exciton

10.6 Các cơ chế phát huỳnh quang trong tinh thể

10.7 Bức xạ tự phát, Bức xạ cưỡng bức và sự phát laze



Chương 11: Tính chất điện môi của vật rắn

11.1 Phân tử không cực và phân tử có cực

11.2 Điện trường của một lưỡng cực

11.3 Sự phân cực và độ phân cực của điện môi

11.4 Điện trường vĩ mô và điện trường định xứ tại một nguyên tử

11.5 Hằng số điện môi và hệ số phân cực

11.6 Tính chất áp điện

11.7 Các chất hoả điện, sắt điện (xenhet điện) và phản sắt điện



Chương 12: Tính chất siêu dẫn

12.1. Một số tính chất của các chất siêu dẫn

12.2. Lý thuyết nhiệt động về chuyển pha siêu dẫn

12.3. Các phương trình London

12.4. Các cơ sở của lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)

12.5. Hiệu ứng xuyên hầm và hiệu ứng Josephson

12.6. S iêu dẫn nhiệt độ cao

12.7. Tóm tắt chương 12

12.8. Câu hỏi

Chương 13: Vật liệu cấu trúc nano

13.1. Từ nguyên tử đến phân tử và chấm lượng tử

13.2. Sự giảm kích thước từ vật liệu khối đến chấm lượng tử

13.3. Các mức năng lượng trong chấm lượng tử (bán dẫn)

5 5

13.4. Chế tạo hệ cấu trúc thấp chiều-vật liệu nano

13.5. Những ứng dụng kỳ diệu của vật liệu nano

13.6 Các kỹ thuật xác định cấu trúc và hình thái học của vật liệu cấu trúc nano


13.8. Câu hỏi

6. Học liệu:

Học liệu bắt buộc:

1. Vũ Đình Cự, Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1997.

2. Nguyễn Văn Hiệu, Giáo trình Vật lý chất rắn đại cương, 1996.

3. Nguyễn Ngọc Long, Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 2007.

Học liệu tham khảo :

4. Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình. Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Giáo dục, 1992.

5. Đỗ Ngọc Uấn, Giáo trình Vật lý chất rắn đại cương, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2003.

6. Neil W. Ashcroft, N. David Mermin, Solid State Physics, Harcourt Asia PTE LMD., India, 2001.

7. J. S. Blakemore, Solid State Physics, Philadelphia, London, Toronto, 1970.

8. Harald Ibach, Hans Luth, Solid State Physics, Springer, 1995.

9. C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, eighth edition, John Wiley & Sons, 2005.

10. M.A. Wahab, Solid State Physics, Narosa Publishing House, 1999.

11. Charles A. Wert, Robb M. Thomson, Physics of Solids, McGraw-Hill Book Company, 1964.

7. Hình thức tổ chức dạy học :

7.1. Lịch trình chung :

Nội dung

Hình thức tổ chức dạy học môn học

TổngLên lớp Thực

hành thí nghiệm, điền dã

Tự học, tự

nghiên cứu

Lý thuyết Bài tậpThảo luận

Chương 1 2 0,5 0,5 3

Chương 2 2 0,5 0,5 3

6 6

Chương 3 1 1

Chương 4 2 0,5 0,5 3

Chương 5 2 0,5 0,5 3

Chương 6 2 0,5 0,5 0,5 3,5

Chương 7 3 0,5 0,5 0,5 4,5

Chương 8 2 2

Chương 9 2 0,5 0,5 3

Chương 10 2 0,5 0,5 3

Chương 11 0

Chương 12 0

Chương 13 1 1

7.2. Lịch trình tổ chức dạy học cụ thể

Tuần Nội dung chínhYêu cầu sinh viên chuẩn bị

Hình thức tổ chức dạy

học

Kiến thức cốt lõi

Tuần 1

Mạng tinh thểCác phép đối xứng của mạng tinh thểPhân loại các mạng Bravais ba chiềuCách biểu thị các nút, các hướng và các mặt trong mạng tinh thểMột số cấu trúc tinh thể đơn giản

Giảng trên lớp + Tự học

Như nội dung chính

Tuần 2

Định luật Bragg về nhiễu xạ tia X trong tinh thểCác phương trình nhiễu xạ LaueMạng đảoCường độ nhiễu xạCác phương pháp thực nghiệm quan sát nhiễu xạ tia X bởi tinh thể

Giảng trên lớp


Tuần 3 Tinh thể ion (NaCl, CsCl, LiF)Tinh thể cộng hóa trị (H2, O2, CH4, C, Si, Ge)Tinh thể kim loại

Giảng trên lớp. Bài tập


7 7



học


Tinh thể phân tử, tinh thể khí trơTinh thể với liên kết hyđro

Tuần 4

Lý thuyết cổ điển về dao động mạng tinh thể Lý thuyết lượng tử về dao động mạng

Giảng trên lớp. Bài tập + Thảo luận


Tuần 5Nhiệt dung của mạng tinh thể vật rắnĐộ dẫn nhiệt của vật rắn

Giảng trên lớp. Bài tập + Tự học


Tuần 6

Khí fermi electron tự do trong kim loạiMật độ trạng thái và hàm phân bố Fermi-DiracNhiệt dung của khí electron tự doĐộ dẫn điện và định luật OhmSự dẫn nhiệt và dẫn điện của khí electron tự do. Định luật Wiedemann – FranzChuyển động trong từ trường. Hiệu ứng Hall

Giảng trên lớp. Bài tập


Tuần 7

Hàm sóng và năng lượng của electron trong trường tinh thể tuần hoànMột số phương pháp giải phương trình Schrodinger một electronChuyển động của electron và lỗ trống trong tinh thể. Khái niệm khối lượng hiệu dụng.

Giảng trên lớp


Tuần 8Mặt đẳng năng ở lân cận các điểm cực trịVùng Brillouin và mặt Fermi

Giảng trên lớp. Bài tập + Thảo luận


Tuần 9 Bán dẫn thuần. Nồng độ hạt tải điện. Mức FermiBán dẫn pha tạp. Nồng độ hạt tải điện. Mức FermiĐộ dẫn điện của các chất bán dẫn

Giảng trên lớp


8 8



học


Hiệu ứng Hall trong bán dẫnHiện tượng tiếp xúc

Tuần 10

Hiện tượng nghịch từHiện tượng thuận từChất sắt từ. Lý thuyết trường phân tử WeissBản chất trường phân tửChất phản sắt từCấu trúc đomen



Tuần 11

Phổ phản xạ, phổ truyền qua và phổ hấp thụCác hằng số quang của vật liệuCác cơ chế hấp thụ trong tinh thểHấp thụ riêngHấp thụ excitonCác cơ chế phát huỳnh quang trong tinh thể



Tuần 12

Phân tử không cực và phân tử có cựcĐiện trường của một lưỡng cựcSự phân cực và độ phân cực của điện môiĐiện trường vĩ mô và điện trường định xứ tại một nguyên tửHằng số điện môi và hệ số phân cựcTính chất áp điện

Tự họcNhư nội dung chính

Tuần 13 Một số tính chất của các chất siêu dẫnLý thuyết nhiệt động về chuyển pha siêu dẫnCác phương trình LondonCác cơ sở của lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)Hiệu ứng xuyên hầm và hiệu ứng Josephson

Tự học Như nội dung chính

9 9



học


Siêu dẫn nhiệt độ cao

Tuần 14

Từ nguyên tử đến phân tử và chấm lượng tửSự giảm kích thước từ vật liệu khối đến chấm lượng tửCác mức năng lượng trong chấm lượng tử (bán dẫn)Chế tạo hệ cấu trúc thấp chiều-vật liệu nanoNhững ứng dụng kỳ diệu của vật liệu nanoCác kỹ thuật xác định cấu trúc và hình thái học của vật liệu cấu trúc nano

Giảng trên lớp + tự học


Tuần 15Tổng kết, ôn tập, giải đáp thắc mắc

Thảo luậnNhư nội dung chính

8. Yêu cầu của giảng viên đối với môn học:

- Có máy chiếu phục vụ bài giảng.

9. Phương pháp và hình thức kiểm tra đánh giá môn học:

9.1. Các loại điểm kiểm tra và trọng số của từng loại điểm:

- Bài tập lớn: 30%

- Kiểm tra giữa kỳ: 20%

- Thi cuối kỳ: 50%.

9.2. Lịch thi và kiểm tra:

- Tuần thứ 3-4, 11-12: kiểm tra dưới dạng bài tập lớn .

- Tuần thứ 7 - 8: kiểm tra giữa kỳ

- Kết thúc tuần thứ 15: thi cuối kỳ

(Kiểm tra và thi lại : Bố trí sau 1 tuần các kỳ kiểm tra và thi chính thức)

9.3. Tiêu chí đánh giá các loại bài tập và các nhiệm vụ mà giảng viên giao cho sinh viên :

- Làm đầy đủ, nộp đúng hạn các bài tập, bài tiểu luận do giáo viên yêu cầu.

- Bài làm thể hiện hiểu biết về vấn đề được giao, có phương pháp đúng, giá trị số đúng. Bài làm sạch đẹp, không tẩy xóa.

1010

KT. HIỆU TRƯỞNG ĐH KHTN

PHÓ HIỆU TRƯỞNG

P.CHỦ NHIỆM KHOA GIẢNG VIÊN

1111

Documents

chất bán dẫn