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Oggetto:
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Fisica dello stato solido

Oggetto:

Solid State Physics

Oggetto:

Anno accademico 2017/2018

Codice dell'attività didattica
MFN0850
Docente
Prof. Marco Truccato (Titolare del corso)
Corso di studi
008510-103 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica dell'Ambiente e delle Tecnologie Avanzate
Anno
1° anno
Periodo didattico
Secondo periodo didattico
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Conoscenze della fisica di base (meccanica, elettromagnetismo, ottica) e di meccanica quantistica.
Knowledge of basic physics (Mechanics, Electromagnetism, Optics) and of Quantum Mechanics.

Propedeutico a

Laboratorio di Fisica della Materia

Material Physics Laboratory
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Fornire agli studenti le nozioni fondamentali per la comprensione dei fenomeni fondamentali della dinamica elettronica e reticolare nei solidi e delle proprietà di alcune classi di materiali.

To provide the students with the concepts necessary to understand of the fundamental phenomena of electronic and lattice dynamics in solids,  and of the properties of some classes of materials.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Nozioni fondamentali per la definizione delle principali caratteristiche ottiche/elettroniche e termiche dei materiali solidi.

Nozioni fondamentali per la comprensione dei fenomeni fisici alla base di alcune delle piu' diffuse tecniche sperimentali per la caratterizzazione di materiali e dispositivi a stato solido.

Sapere descrivere il moto elettronico all'interno dei solidi dal punto di vista classico, semiclassico e quantistico.

Padroneggiare le implicazioni della struttura periodica spaziale nei confronti delle onde, sia elettromagnetiche che elettroniche.

Sapersi orientare all'interno di una situazione fisica relativa alla conduzione nei solidi individuando le grandezze importanti e il loro ordine di grandezza.

Fundamental concepts for the definition of the main optical, electronic and thermal characteristics of solid materials.

Fundamental concepts for the comprehension of physical phenomena at the base of some of the most widespread experimental techniques for the characterization of solid-state materials and devices.

Students will be able to describe the electronic motion in solids from a classical, semiclassical and quantum viewpoint.

Students will be able to handle the implications of the spatial periodic structure on waves, both electromagnetic and electronic.

Students will know how to deal with a physical situation related to electrical conduction in solid materials identifying the important quantities and their orders of magnitude.

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Lezioni ed esercitazioni frontali



Lectures and exercise classes.

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame scritto piu' orale facoltativo

Written exam plus optional oral part.

Oggetto:

Attività di supporto

Oggetto:

Programma

  • Onde nei mezzi dispersivi e significato della relazione di dispersione.
  • Reticoli cristallini e influenza delle loro proprietà di simmetria sulle grandezze fisiche. Tecniche sperimentali per i raggi X. Teoria di Laue della diffrazione Reticolo reciproco e sue proprietà. Equivalenza tra teoria di Bragg e teoria di Laue.
  • Vibrazioni reticolari. Catena lineare monoatomica. Sistemi a numero finito di gradi di libertà e decomposizione in modi normali. Cenni alla quantizzazione delle vibrazioni e concetto di fonone. Catena biatomica. Termini anarmonici e accoppiamento tra fononi: momento del fonone. Scattering neutronico.
  • Calcolo dei calori specifici reticolari in approssimazione di Debye. Fenomeni anelastici. Conduttività termica del reticolo.
  • Modello ad elettroni liberi per i metalli. Livello di Fermi in varie dimensionalità. Proprietà di conduzione elettrica e termica per il gas di Fermi. Collisioni con fononi e legge di Wiedermann-Franz. Effetto termoelettrico.
  • Oscillazioni di plasma e lunghezza di schermo elettrostatico. Effetti della statistica di Fermi-Dirac per la depressione delle sezione d'urto elettrone-elettrone. Effetto Hall e magnetoresistenza.
  • Elettroni in un reticolo periodico. Teorema di Bloch e sue implicazioni. Bande di energia. Modello di Kronig-Penney. Modello ad elettroni quasi liberi in 1D e funzione d'onda approssimata vicino al bordo zona. Superfici di Fermi in 2D e in 3D.
  • Modello semiclassico per la dinamica elettronica nelle bande. Tensore massa efficace.  Equivalenza della descrizione della conduzione per mezzo di elettroni o di lacune.  Cenni alle oscillazioni di Bloch.

  • Waves in dispersive media and meaning of dispersion relation.
  • Crystalline lattices and influence of their symmetry properties on physical quantities. Experimental techniques for X-rays. Laue theory of diffraction. Reciprocal lattice and its properties. Equivalence among Bragg and Laue theories.
  • Lattice vibrations. Linear monoatomic chain. Systems with a finite number of degrees of freedom and decomposition in normal modes. Hints about  quantization of vibrations and the concept of phonon. Biatomic chain. Anharmonic terms and phonon coupling: phonon momentum. Neutron scattering.
  • Calculation of the lattice specific  heat in Debye approximation.   Anelastic phenomena. Thermal conductivity of the lattice.
  • Free-electron model for metals. Fermi level in different dimensions. Properties of electrical and thermal conduction for the Fermi gas. Phonon scattering and Wiedermann-Franz law. Thermoelectric effect.
  • Plasma oscillations and electrostatic screening length. Effects of Fermi-Dirac statistics in electron-electron scattering cross section depression. Hall effect and magnetoresistance.
  • Electrons in a period lattice. Bloch theorem and its implications. Energy bands. Kronig-Penney model. Quasi-free electron model in 1D and approximate wavefunction close to the Brillouin zone boundary. Fermi surfaces in 2D and 3D.
  • Semiclassical model for electronic dynamics within the energy bands. Effective mass tensor. Equivalence among description of conduction by electrons or holes. Hints to Block oscillations.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

  • C. Kittel, Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, Casa editrice Ambrosiana, 2008
  • N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Solid State Physics, Harcourt College Publishers, 1976
  • Diapositive proiettate a lezione sono disponibili alla voce "Materiale Didattico"

 

Even if the first textbook is presented in the Italian Edition, it can be easily found in the original English one.

  • C. Kittel, Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, Casa editrice Ambrosiana, 2008
  • N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Solid State Physics, Harcourt College Publishers, 1976
  • Slides used during lessons are available at "Materiale Didattico" (Educational Material) link .



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Orario lezioni

GiorniOreAula
Martedì11:00 - 13:00Aula D Dipartimento di Fisica
Mercoledì14:00 - 16:00
Venerdì11:00 - 13:00Aula D Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 11/01/2018 al 14/03/2018

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Note

L'orario indicato nella Tabella qui sotto e' sbagliato. Per l'orario corretto fare riferimento al link:
http://fisica.campusnet.unito.it/do/documenti.pl/Show?_id=4s6d

The timetable reported in the Table here below is NOT correct. For the correct timetable please follow the link:
http://fisica.campusnet.unito.it/do/documenti.pl/Show?_id=4s6d

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Altre informazioni

http://www.dfs.unito.it/solid
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Ultimo aggiornamento: 11/01/2018 16:19