Физическое материаловедение

Преподаватель: Перваков Кирилл Сергеевич

Кафедра: физики и технологии наноструктур (образовательная программа «Физика сверхпроводимости и квантовых материалов»)

Аннотация

Курс «Физическое материаловедение» предназначен для студентов, обучающихся по направлению «Физика конденсированного состояния», и направлен на ознакомление студентов с основами наук о материалах, формирование навыков анализа задач по получению материалов и выбора путей их решения, а также на формирование навыков работы с исследовательским оборудованием.

В ходе изучения курса «Физическое материаловедение» студенты кратко повторят основы физики конденсированного состояния для более глубокого понимания при последующем изучении основ кристаллографии, основ фазовых равновесий и диаграмм фазового состояния, основных методов синтеза и исследования твердых тел. Студенты научатся анализировать поставленную задачу по получению требуемых материалов, правильно выбирать пути и методы их получения, определять необходимые и достаточные методы контроля этапов получения. В ходе выполнения лабораторных работ студенты овладеют навыками работы с научным оборудованием для исследования свойств твердых тел.

Программа

1. Электронная структура атомов

Электронная структура атомов. Химическая связь и валентность. Типы сил связи в конденсированном состоянии: Ван дер Ваальсова связь, ионная связь, ковалентная связь, металлическая связь. Химическая связь и ближний порядок. Структура вещества с ненаправленным взаимодействием. Примеры кристаллических структур, отвечающих плотным упаковкам шаров: простая кубическая, ОЦК, ГЦК, ГПУ, структура типа CsCl, типа NaCl, структура типа перовскита CaTiO₃. Основные свойства ковалентной связи. Структура веществ с ковалентными связями. Гибридизация атомных орбиталей в молекулах и кристаллах. Структура типа алмаза и графита.

2. Кристаллическое строение твердых тел

Кристаллические и аморфные твердые тела. Трансляционная инвариантность. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Ячейка Вигнера – Зейтца. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Обратная решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна. Элементы симметрии кристаллов: повороты, отражения, инверсия, инверсионные повороты, трансляции. Операции (преобразования) симметрии. Элементы теории групп, группы симметрии. Возможные порядки поворотных осей в кристалле. Пространственные и точечные группы (кристаллические классы). Классификация решеток Бравэ.

3. Точечные дефекты, их образование и диффузия. Дифракция в аморфных веществах

Точечные дефекты, их образование и диффузия. Вакансии и междоузельные атомы. Дефекты Френкеля и Шоттки. Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций в пластической деформации. Распространение волн в кристаллах. Дифракция рентгеновских лучей, нейтронов и электронов в кристалле. Дифракция в аморфных веществах.

4. Основы электронной теории кристаллов

Основы электронной теории кристаллов. Квантовая теория свободных электронов. Зонная теория металлов. Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность Ферми. Плотность состояний. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Полуметаллы.

5. Фазовые равновесия

Фазовые равновесия. Общие понятия о фазах и фазовых равновесиях. Однокомпонентные системы. Фазовые переходы. Давление насыщенных паров. Тройная точка. Правило фаз. Термодинамические стимулы фазовых превращений. Физические явления при фазовых превращениях. Условия стабильности фаз. Изменение электрических свойств при фазовых превращениях.

6. Диаграммы фазового равновесия

Диаграммы фазового равновесия.

Однокомпонентные диаграммы фазового равновесия, их построение и использование в науке и технике. Двухкомпонентные диаграммы фазового равновесия.

Диаграмма с полной взаимной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях. Диаграмма с расслоением твердого раствора. Диаграмма с наличием упорядочения. Диаграммы с наличием трехфазного равновесия (их классификация).

7. Виды диаграмм фазового равновесия

Диаграммы с эвтектическим и эвтектоидным равновесиями. Диаграммы с монотектическим и монотектоидным равновесием. Диаграмма с метатектическим равновесием. Диаграммы с перитектическим и перитектоидным равновесиями. Диаграмма с синтектическим равновесием. Диаграммы с промежуточными фазами.

8. Анализ сложных диаграмм фазового равновесия

Анализ сложных диаграмм фазового равновесия. Фазовые равновесия в трехкомпонентных системах.

9. Структура и структурно-фазовое состояние материалов

Структура и структурно-фазовое состояние материалов. Расплавы металлов и сплавов. Жидкое состояние. Характеристика жидкого состояния. Структура расплавов. Связь структурных парциальных факторов с физическими и физико-химическими свойствами расплавов. Классификация расплавов. Ассоциированные растворы. Формирование структуры при затвердевании расплава. Контролируемое затвердевание расплава. Затвердевание с искривленной поверхностью раздела. Затвердевание эвтектики. Затвердевание перитектики. Образование сегрегаций примесей при затвердевании. Методы воздействия на расплав.

10. Методы синтеза. Рост кристаллов

Методы синтеза. Рост кристаллов. Контейнерные методы выращивания кристаллов. Бесконтейнерные методы.

11. Методы исследования твердых тел

Методы исследования твердых тел. Термические методы. Дифракционные методы. Методы электронной микроскопии.

12. Материалы с заданными свойствами

Материалы с заданными свойствами. Сверхпроводимость и кристаллическая структура. Высокотемпературные сверхпроводники.

Перечень рекомендуемой литературы

Основная литература: 

1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. — М.: Наука, 1978.
2. Шаскольская М.П. Кристаллография. — М.: Высшая школа, 1984.
3. Физическое материаловедение: Учебник для вузов: В 6 т. / Под общей ред. Б. А. Калина. – М.: МИФИ, 2007.

Дополнительная литература:

1. Хенней Н. Химия твердого тела. — М.: Мир, 1971.
2. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. В 2-х томах. — М.: Мир, 1979.
3. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая Просвечивающая Электронная Микроскопия. М.: Техносфера, 2006, 255 с.
4. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. — М.: Металлургия, 1978.
5. Гоулдстейн Дж. и др. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. — М.: Мир, 1984.
6. Лахтин Ю. M., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. — 3-е изд., перераб. и доп. —М.: Машиностроение, 1990.
7. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. В 3-х т. —М.: Машиностроение, 1996.
8. William D. Callister, JR., David G. Rethwish. Materials Science and Engineering. An Introduction. 9Е. — Wiley, 2015, 988 pages.