ПРОГРАММА УЧЕБНОГО КУРСА

«Физико- химия твердого состояния»

Для специальности 0708 – «Физико-химические методы исследования материалов и процессов».

ЦЕЛЬ КУРСА

Сформировать представления об электронной зонной структуре; кристаллов и выработать понимание взаимосвязи между особенностями зонной структуры и их физико-химическими свойствами. Показать влияние электронных и структурных дефектов решетки на свойства кристаллов, а также их роль в протекании твердофазных процессов.

Практические умения и навыки.

Выработать понимание взаимосвязи между зонным строением энергетического спектра твердых тел и их физико-химическими свойствами. Производить построение зон Бриллюэна ( на примере простейших двухмерных т трехмерных решеток) /ПЗ-1,2,3/. Оценивать влияние примесей на положение химического потенциала в энергетическом спектре примесного полупроводника, а также влияние этих изменений на его физико-химические свойства /ПЗ-4, ДЗ-1/. Оценивать величину энергии образования точечных дефектов в ионных кристаллах /ПЗ-5, ДЗ-2/ . Оценивать влияние легирующих добавок  на электрические и каталитические свойства оксидных n – и р – полупроводников, а также на скорость окисления металлов /ПЗ-6-9, ДЗ-3/.

Распределение часов


Виды занятий Всего 9 семестр (экзамен)
Самостоятельная работа 29 29
В аудитории 51 51
Лекции 34 34
Практические занятия 17 17
Семинарские занятия - -
Итого 80 80

Содержание лекционного курса. Семестр 9

Тема 1. Зонная теория твердых тел. Зоны Бриллюэна /1,2,3/, /14час/
1.1-1.2 Зонная структура энергетического спектра криста.ллических тел /качественное рассмотрение на примерах в приближении «сильной связи»/. Классификация кристаллических тел по типу зонной структуры спектра: металлы, диэлектрики, полупроводники.
1.3-1.4. Волновая функция электрона в периодическом потенциальном поле. Функции Блоха.
Волновая функция для нулевого волнового вектора. Отражение Брега и энергетическая щель.
1.5-1.6. Модель Кронига – Пенни.
1.7-1.8. Зоны Бриллюэна. Форма и объем зон Бриллюэна.1.9. Фазовая и групповая скорости электрона. Эффективная масса.
1.10. Полупроводники: собственные и примесные. Энергия примесных состояний. Положение химического потенциала (уровня Ферми) в энергетическом спектре полупроводника.
1.11-1.12. Ионная адсорбция на поверхности примесного полупроводника. Искривление зон вблизи поверхности. Теория « граничного слоя» ионной адсорбции на полупроводниках.
1.13-1.14. Магнитные свойства и зонная структура переходных металлов и их сплавов с простыми металлами. Взаимосвязь между их зонным строением и физико-химическими свойствами ( адсорбция, абсорбция водорода, катализ).
Тема 2. Диэлектрические свойства изоляторов [3] /4 часа/.
2.1. Поляризация, ее составляющие и механизмы возникновения. Индуцированные диполи. Электронная и ионная поляризуемость.
2.2. Диэлектрическая проницаемость твердых тел. Локальные поля.Температурная зависимость диэлектрической проницаемости. Переменные поля. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости. Статическая и оптическая диэлектрические проницаемости.
Тема 3. Точечные дефекты кристаллических решеток и их влияние на физико-химические свойства кристаллов [1,3,4,5] /12 часов/.
3.1-3.2. Определение понятия точечный дефект. Основные типы точечных дефектов в кристаллических решетках. Точечные дефекты в чистых элементарных и стехиометрических ионных решетках. Системы обозначение дефектов. Нестехиометричность и ее связь с дефектностью кристаллических решеток. Методы оценок энергии образования точечных дефектов кристаллических решетка: вакансии в элементарных кристаллах; дефекты по Шоттки  и Френкелю в ионных стехиометрических кристаллах. Учет влияния дефектов на колебательную энтропию кристалла.  Нестехиометричность в галоидах щелочных металлов. F -  и V ы. Окрашивание.
3.3-3.4. Нестехиометричность оксидов (сульфидов) с избытком металла. Проводимость n – типа и ее зависимость от давления газообразного компонента при равновесном отжиге.
3.5-3.6. Влияние легирующих добавок на электропроводность оксидов (сульфидов) с избытком металла: добавки с большей и меньшей валентностью катионов, чем валентность катионов окисла – растворителя.
3.7-3.8. Нестехиометричность оксидов с избытком неметалла.ическая модель. Проводимость р – типа и ее зависимость от давления кислорода при равновесном отжиге.
3.9-3.10. Влияние легирующих добавок на каталитические, адсорбционные свойства оксидов и скорость окисления металлов. Метод контролируемой валентности.
3.11-3.12. Механизм электропроводности ионных кристаллов и ее связь с концентрацией дефектов решетки.
Тема 4. Влияние дефектов в кристаллической решетке ионного кристалла на кинетику твердофазных реакций ( на примере окисления металлов) [1,4,5,6] /4 часа/.
4.1. Двойной электрический слой на межфазных границах раздела окисел – металл и окисел – кислород. Радиус экранирования и классификация процессов окисления по роли приповерхностных электрических полей на их кинетику. Теория Мота и Кобреры.
4.2. Кинетика роста «толстых» оксидных пленок на металлах: теория параболического окисления Вагнера. Кинетика роста «тонких» пленок: параболический и кубический законы окисления. Кинетика роста «очень тонких» окисных пленок: логарифмический и обратнологарифмический законы окисления.

Перечень тем практических занятий [1,3] / 17 часов/

  1. Обратная решетка. Графическое построение зон Бриллюэна для двухмерной простой квадратной и простой кубической решеток.
  2. Применение метода мягких рентгеновских спектров твердых тел для изучения их зонной структуры.
  3. Характерные свойства переходных металлов, обусловленные перекрытием s – зоны и частично заполненной d- зоны.
  4. Зависимость химического потенциала примесного полупроводника от концентрации примеси и влияние этих изменений на адсорбционные равновесия «газ-полупроводник».
  5. Вычисления равновесной концентрации вакансий в элементарных кристаллических телах. Вычисление концентрации дефектов по Шоттки и дефектов по Френкелю в стехиометрических ионных кристаллах с поправкой на изменение колебательной энтропии кристалла. Оценка энергии образования точечных дефектов в ионных кристаллах.
  6. Влияние примеси замещения на концентрацию дефектов по Шоттки в ионных кристаллах ( на примере хлорида натрия с примесью кальция).
  7. Нестехиометричность в галогенидах щелочных металлов. F-  и V- центры и их влияние на оптические свойства кристаллов. Оценка зависимости максимума полосы поглощения F – центров галогенидов от периода решетки на основании «ящичной» модели.
  8. Нестахиометричность оксидов с избытком металла и неметалла. Влияние легирующих добавок на константу скорости окисления металла.
  9. Теория роста «толстых» оксидных пленок на металлах (Вагнер). Оценка констант скорости параболического окисления металлов( на примерах  Cu2O на  Cu  и ZnO  на Zn).

Перечень домашних заданий.

  1. Концентрация электронов и дырок в собственном и примесном полупроводниках. Положение химического потенциала в энергетическом спектре полупроводника и его зависимость от концентрации примеси.
  2. Оценка энергии образования дефектов по Шоттки в ионных кристаллах.
  3. Влияние легирующих добавлк на скорость окалинообразования металлов (теория Вагнера).

Контрольные мероприятия.

  • ДЗ-1 – 5-7 недели, тема 1.
  • ДЗ-2 – 9-10 недели, темы 2 и 3.
  • ДЗ-3 -  14-16 недели, тема 4.

Литература

  1. Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела, т.1 и 2.-М.: Металлургия,1995.
  2. Моррисон С. Химическая физика поверхности твердого тела, - М., Мир,1980.
  3. Блейкмор Д. Физика твердого состояния, - М. ,Мир, 1972.
  4. Хенней Н. Химия твердого состояния, - М., Мир,1971.
  5. Баре П. Кинетика гетерогенных процессов, - М., Мир, 1976.
  6. Рыжонков Д.И., Арсентьев П.П., Яковлев В.В., Пронин Л.А., Крашенинников М.Г., Дроздов Н.НЕ. теория металлургических процессов, - М., Металлургия, 1989.
Автор
Проф. Андреев Л.А.