Last update: doc. RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D. (10.02.2023)
The lecture introduces students to the basic concepts, models and methods of studying the structure and properties of materials, with an emphasis on atomistic representation of materials combined with the description of electrons at quantum-mechanical level. The course will also give examples of relevant applications of materials, with a mention of a more advanced computational methods. The course should enable students to understand a wide range of publications in the field of solid state physics.
In the academic year 2022/2023 the subject will be held primarily in the form of selfstudy combined with the regular consultations.
Last update: doc. RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D. (10.02.2023)
Přednáška seznamuje studenty se základními pojmy, modely a metodami studia struktury a vlastností materiálů, s důrazem na atomistickou reprezentaci materiálů kombinovanou s popisem elektronů na kvantově-mechanické úrovni. V kurzu budou také uvedeny příklady relevantních aplikací materiálů, spojeny se zmínkou pokročilejších výpočetních metod. Kurz by měl umožnit studentům základní porozumění širokému spektru publikací z oblasti fyziky pevné fáze.
Ve školním roce 2022/2023 je zvolena zejména forma samostudia doplněná pravidelnými konzultacemi.
Literature - Czech
Last update: doc. RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D. (07.02.2022)
1. A. R. West: Solid State Chemistry and its Applications, Wiley, 2014
2. S. H. Simon: The Oxford Solid State Basics, Oxford University Press, 2013
3. C. Kittel: Úvod do fyziky pevných látek, Academia, 1985.
5. M. T. Dove: Structure and Dynamics: An Atomic View of Materials, Oxford University Press, 2003
6. L. Piela: Ideas of Quantum Chemistry, Elsevier, 2013
7. J. Singleton: Band Theory and Electronic Properties of Solids, Oxford University Press, 2001
8. R. M. Martin: Electronic Structure, Cambridge University Press, Cambridge, 2004.
9. M. S. Daw, M. I. Baskes: Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals, Physical Review B, 29, (1984), 6443
10. L. Grajciar et al. : Towards operando computational modeling in heterogeneous catalysis, Chemical Society Reviews, 22, (2018), 8307
Requirements to the exam -
Last update: doc. RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D. (10.02.2023)
In the academic year 2022/2023 the subject will be held primarily in the form of selfstudy combined with the regular consultations.
The exam consists of an oral part in the extent of the subject matter (see syllabus).
Last update: doc. RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D. (10.02.2023)
Ve školním roce 2022/2023 je zvolena zejména forma samostudia doplněná pravidelnými konzultacemi.
Zkouška se skládá z ústní části v rozsahu probírané látky (viz. sylabus).
Syllabus -
Last update: doc. RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D. (10.02.2023)
1. Structure of materials
Structure of crystalline materials, crystal lattices, spatial groups of symmetry. Material databases. Point defects. Amorphous materials (liquid crystals, glass, etc.). Dislocation. Alloys.
2. Introduction to quantum theory of solids
Electron in periodic potential, translational symmetry and Bloch theorem, plane waves, reciprocal lattice, Brillouin zone, density of states and band structure, Fermi energy and surface
3. Methods of energy calculations and material properties
Electron density functional theory, pseudopotentials and basis sets. Hubbard model for the description of strongly correlated electrons. Tight-Binding method. Empirical interatomic potentials and machine learning potentials.
4. Basic properties and characterization of materials
Lattice oscillations (phonons, lattice stability, phase transitions, thermal capacity), optical and transport properties (conductivity, dielectric function, excitons, plasmons), magnetic properties (Ising model, ferromagnetism and antiferromagnetism, critical behavior, magnons)
5. Application of materials and methodological specifics of individual applications.
Heterogeneous catalysis. Adsorption. Photocells. Batteries. Spintronics. etc.
Last update: doc. RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D. (10.02.2023)
1. Struktura materiálů
Struktura krystalických materiálů, krystalové mřížky, prostorové grupy symetrie. Materiálové databáze. Bodové defekty. Amorfní materiály (kapalné krystaly, sklo, atd.). Dislokace. Slitiny.
2. Úvod do kvantové teorie pevných látek
Elektron v periodickém potenciálu, translační symetrie a Blochův teorém, rovinné vlny, reciproká mřížka, Brillouinova zóna, hustota stavů a pásová struktura, Fermiho energie a povrch
3. Metody výpočtů energií a vlastností materiálů
Teorie funkcionálu elektronové hustoty, pseudopotenciály a báze pro rozvoj vlnových funkcí. Hubbardův model pro popis silně korelovaných elektronů. Tight-Binding metoda. Empirické meziatomové potenciály a potenciály získané strojovým učením (machine learning force fields).
4. Základní vlastnosti a charakterizace materiálů
Kmity mřížky (fonony, stabilita mřížky, fázové přechody, tepelná kapacita), optické a transportní vlastnosti (vodivost, dielektrická funkce, excitony, plazmony), magnetické vlastnosti (Isingův model, ferromagnetizmus a antiferomagnetizmus, kritické chováni, magnony)
5. Aplikace materiálů a metodologická specifika jednotlivých aplikací.
Heterogenní katalýza. Adsorpce. Fotočlánky. Baterie. Spintronika. atp.
