固体物理学

科目基礎情報

学校 鶴岡工業高等専門学校 開講年度 令和03年度 (2021年度)
授業科目 固体物理学
科目番号 0277 科目区分 専門 / 必修
授業形態 講義 単位の種別と単位数 学修単位: 2
開設学科 生産システム工学専攻 対象学年 専1
開設期 後期 週時間数 2
教科書/教材 キッテル固体物理学入門(上) 宇野良清他訳 (丸善)
担当教員 内山 潔

目的・到達目標

量子力学・統計力学の知識を基に,固体中の電子と格子が織りなす多彩な性質についての基礎知識を習得する.

ルーブリック

理想的な到達レベルの目安標準的な到達レベルの目安未到達レベルの目安
評価項目1格子ベクトル・逆格子ベクトルについて理解し,種々の結晶について計算ができる.固体の周期性について格子ベクトル・逆格子ベクトルを基に理解している.格子ベクトルについて理解していない
評価項目2格子振動について理解し,簡単な系への適用が出来る.2原子分子の格子振動の分散関係について理解している.単原子分子の格子振動について理解していない.
評価項目3バンド理論に基づき物質の伝導性・磁性等について説明が出来る.バンド理論に基づきエネルギーギャップについて理解している.バンドギャップの起源について理解していない.

学科の到達目標項目との関係

③専門分野に加えて基礎工学をしっかり身につけた生産技術に関る幅広い対応力 説明 閉じる

教育方法等

概要:
本科で学んだ物理,応用物理および専攻科の物理学特論を前提に,固体物理学の基礎知識の習得を目標とする.固体物性において本質的な結晶の周期性と凝集機構について学んだあと,格子振動とその熱的性質,自由電子近似を基にした固体のバンド構造について学ぶ.
授業の進め方と授業内容・方法:
講義形式で授業をすすめるので予習をして授業に臨むこと。また、各単元ごとに簡単な例題について課題提出をレポートの形で求める。(定期試験70点、レポート等30点)
注意点:
量子力学・統計力学については適宜適当な文献を紹介するので自助努力にて補う事.
レポートは講義で学習した内容を基に,発展的内容を含んだ課題を出す.

事前・事後学習、オフィスアワー

授業の属性・履修上の区分

アクティブラーニング
ICT 利用
遠隔授業対応
実務経験のある教員による授業

授業計画

授業内容・方法 週ごとの到達目標
後期
3rdQ
1週 結晶の周期性と格子ベクトル 結晶の周期性・対称性について格子ベクトルを用いた数学的取り扱いができる.
2週 結晶構造解析 X線回折を用いた結晶構造解析の基礎が理解できる。
3週 逆格子空間と逆格子ベクトル 逆格子空間について理解し,格子ベクトルから逆格子ベクトルを求めることができ,またブリルアンゾーンの考え方を理解している.
4週 結晶の結合力:vdW結合・イオン結合 vdW結合エネルギーを調和振動子近似から導出できる.また,イオン性結晶のマーデルングエネルギーを計算できる.
5週 結晶の結合力:共有結合・金属結合・水素結合 水素分子の共有結合について理解し,結合・反結合軌道について説明できる.また,金属結合・水素結合について説明できる.
6週 格子振動(フォノン) 単原子結晶および基本格子が2個の原子を含む場合の格子振動の分散関係を求めることができ,音響的分枝と光学的分枝について理解している.
7週 フォノンの熱的性質 フォノンの比熱をデバイモデル,アインシュタインモデルに基づき計算でき,その特性について理解している.
8週 試験 1回目から7回目の学習内容について,基礎的な事項をその数学的取り扱いを含めて理解している.
4thQ
9週 自由電子フェルミ気体 自由電子近似について理解し,フェルミエネルギー・状態密度の計算ができる.
10週 自由電子フェルミ気体の熱的性質 自由電子近似に基づいた電子系の比熱を求めることが出来,フォノンの場合との違いについて理解している.
11週 バンド理論とエネルギーギャップ 周期ポテンシャルによりエネルギーギャップが開く事を理解し,これに基づき絶縁体・半導体・金属の違いについて説明できる.
12週 半導体の物性:ホール・有効質量近似 半導体のバンド分散について,ホール・有効質量の概念を通じて理解している.
13週 半導体の物性:不純物効果 半導体の不純物ドーピングについて,ドナー・アクセプターの概念を基に理解している.
14週 相転移と秩序変数 相転移について,自由エネルギーと秩序変数を用いて理解しており,一次相転移と2次相転移の違いについて説明できる.
15週 試験 主として9回目から14回目の講義内容について基礎的な事項をその数学的取り扱いを含めて理解している.講義で学んだ事項について,全体を通して,系統的な理解が出来ている.
16週

評価割合

中間試験期末試験レポート合計
総合評価割合353530100
基礎的能力20201555
専門的能力10101030
分野横断的能力55515