Дополнительная программа к программе-минимум по специальности 01.04.07 Физика конденсированного состояния
1. СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
1. Теория симметрии. Точечные группы. Неприводимые представления точечных групп и классификация терминов. Таблицы характеров. Правила отбора. Примеры представлений.
2. Связь между симметрией кристаллической структуры, точечной симметрией и симметрией физических свойств кристаллов.
3. Типы сил связи, их особенности. Энергия кристаллической решетки. Структурные типы. Элементарная ячейка, координационное число, координационные сферы. Плотнейшие упаковки.
4. Кристаллическая структура твердых тел. Типичные структуры металлических и полупроводниковых фаз. Структура электронных соединений, фаз Лавеса. Квазикристаллы.
5. Дифракция волн в кристаллах и основные методы исследования кристаллических структур, их особенности. Диффузное рассеяние и анализ аморфных структур.
6. Электронография и электронная микроскопия. Нейтронография, определение магнитных структур.
7. Упругие свойства кристаллов. Тензор напряжений. Тензор деформаций. Обобщенный закон Гука. Упругие постоянные кристалла. Влияние симметрии кристаллов на упругие свойства.
8. Оптические свойства кристаллов и точечная симметрия. Классификация кристаллов по оптическим свойствам.
2. КИНЕТИЧЕСКИЕ, ОПТИЧЕСКИЕ, МАГНИТНЫЕ и МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
1. Электроны в металле. Модель свободных электронов. Учет отражения от границ зоны Бриллюэна. Поверхности Ферми металлов. Остаточное электросопротивление. Магнитосопротивление и эффект Холла.
2. Полупроводники. Электронный спектр для полупроводников. Собственная проводимость. Примесное состояние. Дефектные уровни и зоны.
3. Электроны в неупорядоченных средах. Физические свойства аморфных металлов.
4. Переход металл – диэлектрик. Представление о минимальной металлической проводимости. Электрострикция и пьезоэлектричество. Пироэлектрики и сегнетоэлектрики.
5. Оптика кристаллов в области прозрачности. Показатель преломления и поляризуемость. Двойное лучепреломление в кристалле.
6. Фотопроводимость как метод исследования дефектов в полупроводниках. Донорно-акцепторная рекомбинация: особенности в энергии и кинетике.
7. Оптические свойства низкоразмерных систем: квантовые ямы и квантовые точки.
8. Экситоны Ванье-Мотта (водородоподобные экситоны в 3-х и 2-х мерных полупроводниковых системах). Связанные экситоны.
9. Электронно-дырочная жидкость в полупроводниках. Фазовая диаграмма: экситонный газ-ЭДЖ. Экспериментальные методы изучения электронно-дырочной жидкости. Аналитические свойства комплексной диэлектрической проницаемости.
10. Парамагнетизм Ланжевена. Замораживание орбитальных моментов в кристаллическом поле. Парамагнетизм ионов группы железа и редких земель. Спин-орбитальное взаимодействие. Анизотропия g-фактора парамагнитных ионов в твердых телах. Ядерный парамагнетизм.
11. Непереходные металлы. Парамагнетизм Паули. Диамагнетизм Ландау. Эффект Гааза - Ван Альфена.
12. Ферромагнетизм, антиферромагнетизм. Термодинамическая теория. Поведение вблизи точки Кюри. Магнитная симметрия. Обменное взаимодействие. Энергия магнитной анизотропии, магнитострикция. Энергетический спектр магнетиков. Спиновые волны. Домены и доменные границы. Теория технической кривой намагничивания. Методы исследования магнитной структуры, метод магнито-оптических индикаторных пленок.
13. Тензор упругих постоянных и упругая деформация. Пластичность кристаллов. Предел текучести. Упрочнение. Внутреннее трение.
3. ФИЗИКА ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
1. Размерное квантование в квазидвумерных системах. Подзоны. Экранирование. Рассеяние квазидвумерных электронов.
2. Примеры квазидвумерных систем в полупроводниках: гетероструктуры, МДП-структуры.
3. Квазидвумерные системы в квантующем магнитном поле. Тензоры проводимости и электросопротивления. Плотность состояний.
4. Целочисленный квантовый эффект Холла. Экспериментальные аспекты и метрологические возможности. Роль дефектов и локализация. Представление Бюттикера.
5. Дробный КЭХ, экспериментальное проявление, роль электрон-электронного взаимодействия. Подходы к описанию, гипотеза о композитных фермионах и волновая функция Лафлина.
6. Магнитооптика двумерного электронного газа: плотность и заполнение электронных и дырочных состояний.
7. Концепция топологического изолятора, представление о топологической защите транспорта. Двумерные топологические изоляторы, примеры реальных систем, основные экспериментальные факты.
4. ФИЗИКА ПОВЕРХНОСТИ, СТРУКТУРА, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Таммовские уровни. Заполнение зарядами поверхностных состояний, поверхностный барьер.
2. Физическая и химическая адсорбция. Поверхностные фазовые переходы. Формирование барьера Шоттки и методы его исследования.
3. Дифракция медленных электронов (ДМЭ). Физические основы ДМЭ. Принципы расчета интенсивности ДМЭ от идеальной поверхности по динамической теории. Методические возможности ДМЭ для исследования поверхности твердых тел.
4. Электронная микроскопия. РФС И ФЭСУР (ARPES).
5. Различные подходы теоретического описания туннелирования электронов (квазиклассическое приближение, туннельный гамильтониан и др.) Методы изучения твердых тел, основанные на эффекте туннелирования (ионный микроскоп, сканирующий туннельный микроскоп, атомно-силовая микроскопия, упругая и неупругая туннельная микроскопия).
6. Процессы роста и формирования двухмерных структур.
7. Взаимодействие электронов проводимости с поверхностью металлов.
8. Методы исследования. Оже-спектроскопия.
5. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
1. Термодинамические условия фазовых равновесий в одно- и многокомпонентных системах. Правило фаз. Функции состояния. Химические потенциалы. Фазовые переходы I и II рода.
2. Типы фаз в твердых телах. Химические соединения. Твердые растворы внедрения и замещения. Упорядоченные твердые растворы. Фазы Юм-Розери, фазы Лавеса. Фазы внедрения.
3. Диаграммы состояния. Типы фазовых диаграмм. Диаграммы состояния, базовый и структурный состав твердых тел.
4. Кинетика фазовых превращений в твердых телах. Стабильные и нестабильные фазы. Фазовые превращения, сопровождающиеся изменением состава фаз. Превращения без изменения состава фаз. Кооперативные и некооперативные фазовые превращения. Особенности механизма кинетики кооперативных фазовых превращений в твердых телах.
5. Связь между фазовым составом, микроструктурой и физическими свойствами твердых тел. Основные методы исследования фазовых превращений в твердых телах.
6. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
1. Разнообразие сверхпроводящих веществ – кристаллические и аморфные металлы, вырожденные полупроводники, сложные металлические окислы, высокотемпературные сверхпроводники.
2. Уравнение Гинзбурга – Ландау. Длина когерентности и глубина проникновения, их температурные зависимости.
3. Термодинамика сверхпроводников. Сверхпроводники I-го и II-го рода. Вихри Абрикосова. Критические поля Нс1, Нс2, Нс3. Пиннинг вихрей.
4. Электрон-фононное взаимодействие как основной механизм сверхпроводимости. Теория Бардина-Купера-Шриффера. Слабая и сильная связь. Нефононные механизмы сверхпроводимости (плазмоны, экситоны, спиновые возбуждения, биполяроны и т.д.).
5. Свойства туннельного контакта нормального металла и сверхпроводника, двух сверхпроводников. Андреевское отражение. Эффект Джозефсона. СКВИД и его применения.
7. ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ. ФИЗИКА ДИСЛОКАЦИЙ
1. Точечные дефекты. Вакансии. Атомы внедрения. Их образование и движение. Реакции точечных дефектов, электронные свойства точечных дефектов. Комбинации атомных дефектов.
2. Дислокации. Энергия дислокации. Переползание и скольжение.
3. Двойники, дефекты упаковки.
4. Пластическая деформация как результат движения дислокации. Процессы размножения дислокации, источники дислокации. Подвижность дислокации, Механизмы движения.
5. Геометрические характеристики дислокации. Упругие поля дислокации. Атомная структура ядер дислокации. Частичные дислокации и дефекты упаковки.
6. Влияние дислокации на физические свойства кристаллов (электрические, оптические, тепловые).
8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
1. Рентгенография: методы исследования идеальной и реальной структуры кристаллических и аморфных материалов.
2. Электронография и электронная микроскопия.
3. Нейтронография: упругое и неупругое когерентное рассеяние, исследование магнитных структур и фононных спектров.
4. Эффект Мессбауэра.
5. ЭПР, ЯМР.
6. Электрические и гальваномагнитные измерения как методы исследования поверхности Ферми.
7. Оптические методы исследования, возможности, связанные с использованием лазерных источников света.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.В.Шубников, Е.Е.Флинт, Г.Б.Бойкий. Основы кристаллографии. - М.: 1940.
2. Дж.Най. Физические свойства кристаллов. - М.: Мир, 1967.
3. Ч.С.Баррет, Т.Б.Массальский. Структура металлов. - М.: Металлугия, 1984.
4. Т.Андо, Фаулер и Штерн. Электронные свойства квазидвумерных систем, - М.: Мир, 1985.
5. М.Кардона, П.Ю. Основы физики полупроводников. - М.: Физматлит, 2002.
6. А.И. Ансельм. Введение в теорию полупроводников. - М.: Наука, 1978.
7. Ч.Киттель. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978.
8. Дж.Займан. Электроны и фононы. - М.: ИИЛ, 1962.
9. А.В.Шубников. Оптическая кристаллография. - М.-Л.: Изд. АН СССР, 1950.
10. А.Р. Шульман, А.С. Фридрихов. Вторично-эмиссионные методы исследования твердого тела. - М.: Наука, 1977.
11. J.B.Pendry. Low Energy Eleсtron Diffraction. – London: Pergamon Press, 1974.
12. Ф.Г. Гудман, Т. Вахман. Динамика рассеяния газа поверхностью. - М.: Мир, 1980.
13. C.B. Duke. Tunneling in Solids. - New York: Academic Press, 1969.
14. Э. Мюллер, Т. Цонь. Автоионная микроскопия. - М.: Металлургия, 1972.
15. Э. Бурштейн, С. Лундквист. Туннельные явления в твердых телах. - М.: Мир, 1973.
16. G. Binning et al. Surf. Sci. v.126, p.236. Scanning Tunneling Microscopy.
17. R.M.A. Azzam, N.M. Bashara. Ellipsometry and Polarized Light. - North-Holland: Amsterdam, 1977.
18. В.Ф. Гантмахер, И.Б. Левинсон. Рассеяние носителей тока в металлах и полупроводниках. - М.: Наука, 1984.
19. Методы анализа поверхностей. Под ред. А. Зандерны. - М.: Мир, 1979.
20. Я.С. Уманский, М.Е. Боантер, Б.Н. Финкельштейн. Физические основы металловедения. - М.: Металлургиздат, 1949.
21. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Статическая физика. - М.: Наука, 1976.
22. Дж. Хирт, И. Лоте. Теория дислокаций. - М.: Атомиздат, 1972.
23. Хирш П., Хови А., Николсон Р., Пэшли Д., Уэлан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов. - М.: Мир, 1968.
24. Дж. Кристиан. Теория превращений в металлах и сплавах. - М.: Мир, 1978.
25. Г. Ван-Бюрен. Дефекты в кристаллах. - М.: ИЛ, 1962.
26. Ж. Фридель. Дислокации. - М.: Мир, 1967.
27. В.В. Шмидт. Введение в физику сверхпроводников. - М.: Наука, 1982.
28. П. Де Жен. Сверхпроводимость металлов и сплавов. - М.: Мир, 1968.
29. А.А. Абрикосов. Основы теории металлов. - М.: Наука, 1986.
30. Т. Ван Дузер, Ч.У. Тернер. Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей. - М.: Радио и связь, 1984.
31. М. Тинкхам. Введение в сверхпроводимость. - М.: Атомиздат, 1980.
32. Квантовый эффект Холла. /Под ред. Р. Пренджа и С. Гирвина. - М.: Мир, 1989.