Fyzika kondenzovaných soustav a materiálů - NSZF040

• Anglický název: Physics of Condensed Matter and Materials
• Zajišťuje: Studijní oddělení (32-STUD)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2020
• Semestr: oba
• E-Kredity: 0
• Rozsah, examinace: 0/0, SZ [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Způsob výuky: prezenční
• Způsob výuky: prezenční
• Poznámka: student může plnit i v dalších letech; za splnění nejsou body; předmět lze zapsat v ZS i LS

Požadavky ke zkoušce

Poslední úprava: Mgr. Dina Novotná Obeidová (07.09.2021)

Požadavky k~ústní části státní závěrečné zkoušky

A. Společné požadavky

1. Principy kvantového popisu kondenzovaných soustav<\b>

Popis pevné látky jako problém mnoha částic - skládání momentu hybnostu, Hundova pravidla, důsledky symetrie - symetrie vlnové funkce, Blochův teorém. Typy vazeb v~molekulách a~kondenzovaných soustavách.

Elektronové stavy v~pevných látkách - pásová struktura a~metody jejího výpočtu: jednoelektronové přiblížení a~metody řešení efektivních rovnic (metoda LCAO, téměř volné elektrony, LAPW, pseudopotenciály). Adiabatická aproximace, variační princip a~poruchový počet.

Interakce mezi elektrony - druhé kvantování, Hartree-Fockova aproximace, teorie funkcionálu hustoty. Kvazičástice v~kondenzovaných soustavách.

Interakce elektromagnetického záření s~látkou - absorpce a~emise fotonu. Stimulovaná a~spontánní emise, výběrová pravidla. Doba života kvantových stavů, přirozená šířka spektrální čáry.

2. Termodynamika a~statistická fyzika kondenzovaných soustav

Termodynamická rovnováha, stavové veličiny a~stavové rovnice. Hlavní termodynamické věty a~jejich důsledky, entropie a~absolutní teplota. Termodynamické potenciály, podmínky rovnováhy a~stability. Kritické jevy, fázové přechody, Landauova teorie fázových přechodů. Popis nerovnovážných procesů, lineární nerovnovážná termodynamika. Statistický popis stavu, distribuční funkce a~matice hustoty. Liouvilleova rovnice. Gib-bsovy stacionární soubory, souborové středování, odvození stavových rovnic. Klasické a~kvantové systémy neinteragujících částic. Brownův pohyb, difuze ve vnějším poli.

3. Základy fyziky kondenzovaných látek

Struktura kondenzovaných soustav - krystalová struktura, bodová a~translační symetrie, základy krystalografie. Reciproký prostor, Brillouinova zóna.

Reálná struktura látek - poruchy krystalové struktury, uspořádání na dlouhou a~krátkou vzdálenost. Amorfní látky a~jejich popis, párové distribuční funkce. Popis topologie, prostorové a~elektronové struktury makromolekul.

Pohyb atomů a~molekul v~kondenzovaných látkách - difuze, kmity mřížky, fonony, tepelná kapacita.

Elektrické vlastnosti - polarizační mechanismy, dielektrická susceptibilita. Interakce mřížky iontového krystalu s~elektromagnetickou vlnou. Vedení elektrického proudu - Sommerfeldův model, elektrony v~periodickém poli, pásová struktura kovů a~polovodičů. Základní poznatky o~supravodivosti.

Magnetické vlastnosti - diamagnetismus a~paramagnetismus, magnetizace, magnetická susceptibilita. Spontánní uspořádání magnetických momentů. Magnetizační procesy ve feromagnetikách.

Mechanické silové pole - elastická a~plastická deformace, viskozita. Viskoelasticita a~kaučuková elasticita polymerních systémů, skelný přechod, princip časově-teplotní superpozice.

4. Experimentální metody

Metody určování struktury - základní difrakční metody: difrakce a~rozptyl rtg záření, elektronů, neutronů, atomů a~iontů. Mikroskopické metody - světelná, řádkovací a~transmisní elektronová mikroskopie.

Makroskopické a~mikroskopické metody studia mechanických, tepelných, dielektrických, optických, transportních a~magnetických vlastností látek.

Základní spektroskopické metody (radiofrekvenční, mikrovlnné, optické, rentgenové, gama, fotoemisní) a~jejich použití.

B. Užší zaměření

Student si volí okruh otázek odpovídající jeho zaměření.

1. Fyzika atomových a~elektronových struktur

Atomová struktura látek

Bodové a~prostorové grupy. Symetrie fyzikálních vlastností. Struktura krystalů, kvazikrystalů, modulovaných struktur a~amorfních látek. Používání strukturních databází. Kinematická teorie difrakce - rozptyl na elektronu, atomu a~molekule; rozptyl na periodických a~nízkodimenzionálnálních strukturách. Základy dynamické teorie difrakce. Využití neutronů a~synchrotronového záření ke studiu struktury látek. Počítačové simulace, ab-initio výpočty.

Elektronová strutkura a~fyzikální vlastnosti látek

Vodivostní elektrony v~materiálech (klasický a~kvantový popis), elektrony v~perio-dickém potenciálu. Elektronová struktura kovů, polovodičů a~izolátorů, optické vlastnosti. Chemická vazba, koheze, hybridizace elektronových stavů. Elektron-fononová interakce, elektrický a~tepelný transport. Coulombovská a~výměnná interakce, elektronové korelace, vznik magnetického momentu. Magnetické uspořádání, symetrie. Mikroskopické modely magnetismu. Nízkodimenzionální systémy. Měrné teplo, teplotní roztažnost. Magnetotransportní a~magnetoelastické jevy. Dielektrika, elektrická permitivita, feroelektrika a~antiferoelektrika. Elektrooptické a~magnetooptické jevy. Využití

mikroskopických a~makroskopických metod. Vliv vnějšího tlaku, fyzika ve vysokých

magnetických polích. Ab initio výpočty elektronové struktury a~fyzikálních vlastností.

Aplikační využití elektronových vlastností materiálů. Nanomateriály.

Kolektivní jevy

Spontánní narušení symetrie a~parametr uspořádání. Mikroskopický popis fázových

přechodů, teorie středního pole, fluktuace. Strukturní a~magnetické fázové přechody.

Spontánní uspořádání jaderných momentů. Kondo mřížka a~systémy s~těžkými fermiony.

Bose-Einsteinova kondenzace atomu. Supravodivost a~supratekutost. Kooperativní jevy

mimo rovnováhu, lasery.

2. Fyzika makromolekulárních látek

Struktura makromolekul

Konfigurace, konformace, takticita a~stereoregularita polymerních řetězců. Archi-

tektura makromolekulárních systémů. Způsoby přípravy makromolekulárních systémů,

chemická struktura polymerů, způsoby výstavby polymerních sítí, bod gelace. Distri-

buce a~průměry molárních hmotností.

Fyzikální vlastnosti makromolekulárních systémů

Relaxační vlastnosti, skelný přechod a~teorie volného objemu, časově-teplotní superpozice. Pojem lineární viskoelasticity, viskoelastické funkce, Boltzmannův princip superpozice. Termodynamika polymerních roztoků, směsí a~blokových kopolymerů --- fázové diagramy. Flory-Hugginsova teorie, botnací rovnováha. Koligativní vlastnosti polymerních roztoků. Přechod klubko-globule. Krystalizace polymerů. Elektrické a~optické vlastnosti polymerů, generace a~transport náboje v~organických strukturách.

Experimentální metody

Metody studia skelného přechodu, měření reologických a~viskoelastických vlastností, dynamická mechanická analýza. Měření dielektrických a~elektrických vlastností, termální depolarizace. Detekce teplotních přechodů, diferenciální skenovací kalorimetrie. Metody určování molekulových hmotností a~struktury polymerů. Difrakční/rozptylové a~spektroskopické metody pro studium struktury makromoleku-

lárních systémů.

3. Fyzika materiálů

Poruchy krystalové mřížky

Krystalová mřížka, vakance, intersticiály, vrstevné chyby, subhranice, hranice zrn, dvojčata, inkluze, dispersoidy, precipitáty. Interakce poruch krystalové mřížky. Experimentální metody studia poruch krystalové mřížky: mechanické zkoušky, difrakční a~zobrazovací metody, termická analýza, akustická emise.

Mechanické vlastnosti

Plastická deformace, teorie zpevnění, creep a~lom. Statické a~dynamické odpevnění, zotavení poruch mřížky, superplasticita, nestabilita plastické deformace, tvarová paměť.

Termodynamika vícesložkových systémů

Binární a~ternární fázové diagramy, model párových vazeb, pákové pravidlo, intermediální fáze. Fázové transformace, tuhnutí slitin, segregační procesy. Difuzní a~bezdifuzní transformace v~pevných látkách, TTT-diagramy, Avramiho rovnice. Difuze v~pevných látkách.

Moderní materiály a~technologie

Intermetalické sloučeniny, keramické a~kompozitní materiály, submikrokrystalické a~nanokrystalické materiály, kvazikrystaly, materiály s~tvarovou pamětí, technologie přípravy moderních materiálů.

4. Fyzika nízkých teplot

Elektronová struktura pevných látek

Metody výpočtu elektronové struktury. Elektronová struktura a~magnetické vlastnosti pevných látek. Magnetické momenty volného atomu/iontu, interakce s~krystalovým polem, korelační jevy, výměnné interakce, lokalizované a~itinerantní magnetické momenty.

Fyzika a~technika nízkých teplot

Metody získávání nízkých a~velmi nízkých teplot, základní vlastnosti kryokapalin. Nízkoteplotní termometrie.

Makroskopické kvantové jevy

Supravodivost, Cooperovy páry, Meissnerův jev, slabá supravodivost. Supravodiče I. a~II. druhu, vysokoteplotní supravodivost. Supratekutost <^>4He, <^>3He, makroskopická vlnová funkce, Boseova-Einsteinova kondenzace.

Hyperjemné interakce a~jaderný magnetismus

Elektrické a~magnetické momenty atomových jader, elektrická a~magnetická hyperjemná interakce. Spinový hamiltonián, hyperjemné štěpení energetických hladin, role symetrie okolí jádra.

Experimentální metody studia hyperjemných interakcí (jaderná magnetická rezonance, elektronová paramagnetická rezonance, mionová spinová rotace, Mössbauerův jev, jaderná orientace, metoda porušených úhlových korelací) a~jejich využití pro studium atomové, elektronové a~magnetické struktury.

5. Fyzika reálných povrchů

Fyzika povrchů

Vazba molekuly na povrchu, absorpce, ideální a~reálný povrch, elektronová struktura povrchů, povrchové stavy, výstupní práce, emise nabitých částic, emise elektronu, princip elektronové spektroskopie, interakce částic a~záření s~povrchem, fotoemise, princip fotoelektronové spektroskopie, sekundární elektronové emise, difrakce. Energie povrchů a~rozhraní.

Experimentální metody studia povrchu

Metody elektronové spektroskopie (AES, REED), metody iontové spektroskopie

(SIMS, SNMS), metody fotoelektronové spektroskopie (UPS, XPS) a~jejich praktické použití. Metody elektronové mikroskopie. Měření povrchové energie: statické a~dynamické metody měření kontaktního úhlu. Infračervená spektroskopie ATR FTIR, metody rtg. difrakce --- maloúhlový rozptyl.

Příprava tenkých vrstev

Definice tenké vrstvy, pojem tloušťky tenké vrstvy, počáteční stadium a~mechanismy růstu vrstvy. Základní metody jejich přípravy: vypařování ve vakuu, stejnoměrné a~vysokofrekvenční rozprašování, CVD, PE CVD anorganických a~organických vrstev (plazmová polymerace). Metody diagnostiky růstu tenké vrstvy, měření rychlosti nanášení a~tloušťky, určování struktury a~morfologie, mechanických, elektrických a~optických vlastností. Modifikace povrchu, změny povrchové energie a~chemické aktivity. Použití tenkých vrstev --- tvrdá, oděruvzdorná pokrytí, ochranné a~pasivační vrstvy, optické

tenké vrstvy, vrstvy pro mikroelektroniku.