Aplikace kvantové chemie - vlastnosti a design materiálů - MC260P130

• Anglický název: Quantum chemistry applications - materials properties and materials design
• Český název: Aplikace kvantové chemie - vlastnosti a design materiálů
• Zajišťuje: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Fakulta: Přírodovědecká fakulta
• Platnost: od 2022
• Semestr: letní
• E-Kredity: 3
• Způsob provedení zkoušky: letní s.:
• Rozsah, examinace: letní s.:1/1, Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Poznámka: povolen pro zápis po webu
• Garant: doc. RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D.
• Vyučující: doc. RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D.; Junjie He, Ph.D.; Christopher James Heard, Ph.D.

Anotace

čeština

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.

Poslední úprava: Grajciar Lukáš, doc. RNDr., Ph.D. (10.02.2023)

angličtina

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.

Poslední úprava: Grajciar Lukáš, doc. RNDr., Ph.D. (10.02.2023)

Literatura

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.

4.    N.W. Ashcroft, N.D. Mermin : Solid State Physics, Sounders Coll. Publishing 1988.

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

Poslední úprava: Grajciar Lukáš, doc. RNDr., Ph.D. (07.02.2022)

Požadavky ke zkoušce

čeština

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).

Poslední úprava: Grajciar Lukáš, doc. RNDr., Ph.D. (10.02.2023)

angličtina

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).

Poslední úprava: Grajciar Lukáš, doc. RNDr., Ph.D. (10.02.2023)

Sylabus

čeština

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.

Poslední úprava: Grajciar Lukáš, doc. RNDr., Ph.D. (10.02.2023)

angličtina

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.

Poslední úprava: Grajciar Lukáš, doc. RNDr., Ph.D. (10.02.2023)