Φυσική Στερεάς Καταστάσεως

Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα του μαθήματος
Εισαγωγικό μάθημα στη Φυσική της Στερεάς Κατάστασης. Επιδιώκεται η εφαρμογή προηγούμενων γνώσεων (Ηλεκτρομαγνητισμού, Στατιστικής Φυσικής, Κβαντομηχανικής) στη μελέτη των στερεών. Πιο συγκεκριμένα, επιδιώκεται η εξοικείωση των φοιτητριών/τών με:

• Την εφαρμογή κλασσικών και κβαντικών μοντέλων για την ερμηνεία βασικών ιδιοτήτων των μετάλλων
• Εισάγεται για πρώτη φορά η έννοια της κρυσταλλικής δομής και του προσδιορισμού της, ως βάσης για την ερμηνεία πολλών ιδιοτήτων των στερεών.
• Επιδιώκεται η κατανόηση των μηχανισμών των χημικών δεσμών που απαντώνται στα στερεά και των ιδιοτήτων διάδοσης των ελαστικών κυμάτων σε αυτά. Δίνεται έμφαση στην περιγραφή των ταλαντώσεων του πλέγματος με την εισαγωγή της έννοιας του φωνονίου.
• Στόχος του μαθήματος αυτού είναι ακόμα η εξοικείωση με την ηλεκτρονική δομή των στερεών. Για το σκοπό αυτό, γίνεται λεπτομερής εισαγωγή στη θεωρία των ενεργειακών ζωνών, με αξιοποίηση προηγούμενων γνώσεων κβαντομηχανικής. Βάσει αυτής, επιδιώκεται οι φοιτήτριες/τές να κατανοήσουν τον διαχωρισμό των υλικών σε μέταλλα, μονωτές και ημιαγωγούς.
• Τέλος, επιδιώκεται η κατανόηση των ιδιοτήτων των ημιαγωγών, ως βασικών υλικών για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών.

Δεξιότητες
Αναμένεται οι φοιτήτριες/τές να αποκτήσουν μια ευρεία αντίληψη για τον χειρισμό προβλημάτων που αφορούν τα στερεά. Αναμένεται να κατανοούν βασικές ιδιότητες και τρόπους αντιμετώπισης σχετικών προβλημάτων.

Προαπαιτήσεις
Βάσει του εφαρμοζόμενου προγράμματος σπουδών, δεν υπάρχουν προαπαιτούμενα μαθήματα. Οι φοιτήτριες/τές όμως θα πρέπει να διαθέτουν τουλάχιστον στοιχειώδεις γνώσεις Ηλεκτρομαγνητισμού, Στατιστικής Φυσικής και Κβαντομηχανικής.

Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος

Κρυσταλλικές Δομές
Γενική Περιγραφή των Κρυσταλλικών Δομών.
Μερικές Σημαντικές Κρυσταλλικές Δομές. Κυβικές Δομές. Δομές Συμπαγούς Συσσωμάτωσης. Δομές Ομοιοπολικών Στερεών.
Προσδιορισμός της Κρυσταλλικής Δομής.
Περίθλαση Ακτίνων Χ. Θεωρία Bragg. Πλεγματικά Επίπεδα και Δείκτες Miller. Γενική Θεωρία της Περίθλασης. Το Αντίστροφο Πλέγμα. Η Σημασία του Αντιστρόφου Πλέγματος. Περίθλαση Ακτίνων Χ από Περιοδικές Δομές. Η Κατασκευή του Ewald. Σχέση Μεταξύ της Θεωρίας του Bragg και του Laue
Άλλες Μέθοδοι για τον Προσδιορισμό της Κρυσταλλικής Δομής.
Ανελαστική Σκέδαση.
Οι Δεσμοί στα Στερεά
Ελκτικές και Απωστικές Δυνάμεις.
Ιοντικός Δεσμός.
Ομοιοπολικός Δεσμός.
Μεταλλικός Δεσμός.
Δεσμός Υδρογόνου.
Δεσμός van der Waals.
Μηχανικές Ιδιότητες
Ελαστική Παραμόρφωση.
Μακροσκοπική Εικόνα. Ελαστικές Σταθερές. Λόγος Poisson. Σχέση Ανάμεσα στις Ελαστικές Σταθερές.
Μικροσκοπική Εικόνα.
Πλαστική παραμόρφωση. Εκτίμηση της Τάσης Διαρροής. Σημειακές Ατέλειες και Εξαρμόσεις. Ο Ρόλος των Ατελειών στην Πλαστική Παραμόρφωση.
Θραύση.
Θερμικές Ιδιότητες του Πλέγματος
Ταλαντώσεις του Πλέγματος.
Απλός Αρμονικός Ταλαντωτής.
Ατομική Αλυσίδα Απείρου Μήκους. Ένα Άτομο ανά Μοναδιαία Κυψελίδα. Η Πρώτη Ζώνη Brillouin. Δύο Άτομα ανά Μοναδιαία Κυψελίδα.
Ατομική Αλυσίδα Πεπερασμένου Μήκους.
Κβαντισμένες Δονήσεις, Φωνόνια.
Τρισδιάστατα Στερεά. Γενίκευση στις Τρεις Διαστάσεις. Εκτίμηση των Συχνοτήτων Δόνησης από τις Ελαστικές Σταθερές. Θερμοχωρητικότητα του Πλέγματος.
Κλασική Θεώρηση και Πειραματικά Αποτελέσματα.
Το Μοντέλο Einstein.
Το Μοντέλο Debye.
Θερμική Αγωγιμότητα.
Θερμική Διαστολή.
Αλλοτροπικές Μεταβολές Φάσης και Τήξη.
Ηλεκτρονικές Ιδιότητες των Μετάλλων: Κλασσική Προσέγγιση
Οι Βασικές Υποθέσεις του Μοντέλου Drude.
Τα Aποτελέσματα του Mοντέλου Drude. H DC Ηλεκτρική Αγωγιμότητα. Φαινόμενο Hall. Οπτική Ανακλαστικότητα των Μετάλλων. Ο Νόμος Wiedemann-Franz.
Οι Αδυναμίες του Μοντέλου Drude.
Ηλεκτρονικές Ιδιότητες Στερεών: Κβαντομηχανική Προσέγγιση
Η Ιδέα των Ενεργειακών Ταινιών.
Το Μοντέλο του Ελεύθερου Ηλεκτρονίου. Οι Κβαντομηχανικές Ιδιοκαταστάσεις. Ηλεκτρονική Θερμοχωρητικότητα. Ο Νόμος Wiedemann-Franz. Θωράκιση.
Η Γενική Μορφή των Ηλεκτρονικών Καταστάσεων.
Το Μοντέλο του Σχεδόν Ελεύθερου Ηλεκτρονίου.
Το Μοντέλο της Ισχυρής Σύζευξης.
Οι Ενεργειακές Ταινίες σε Πραγματικά Στερεά.
Φαινόμενα Μεταφοράς.
Ημιαγωγοί
Ενδογενείς Ημιαγωγοί. Θερμοκρασιακή Εξάρτηση της Πυκνότητας Φορέων.
Ημιαγωγοί με Προσμείξεις. Προσμείξεις Τύπου n και p. Πυκνότητα Φορέων.
Η Αγωγιμότητα των Ημιαγωγών.
Διατάξεις Ημιαγωγών. Η Επαφή pn. Τρανζίστορ.
Διατάξεις Οπτοηλεκτρονικής.

Διδακτικές και μαθησιακές μέθοδοι
Διδασκαλία με χρήση εποπτικών μέσων. Παρουσιάσεις με ψηφιακές διαφάνειες και επίλυση προβλημάτων στον πίνακα.

Μέθοδοι αξιολόγησης/βαθμολόγησης
Γραπτές εξετάσεις με ερωτήσεις επί της θεωρίας και επίλυση προβλημάτων. Βαθμολογία στην κλίμακα 1-10.

Γλώσσα διδασκαλίας
Ελληνικά