FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO GRADO Y LICENCIATURA EN FÍSICA UNIVESIDAD DE VALLADOLID CURSO

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1 FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO GRADO Y LICENCIATURA EN FÍSICA UNIVESIDAD DE VALLADOLID CURSO Miguel Angel Rodríguez Pérez Departamento Física de la Materia Condensada, Facultad de Ciencias Universidad de Valladolid marrod@fmc.uva.es

2 0 composición porcentual en C perlita fina Física de Materiales Organización Microscópica Propiedades Macroscópicas Puente Científico dureza 2 Brinell perlita gruesa Materiales con orden cristalino Tratamiento cuantitativo basado en la mecánica cuántica Propiedades: función de la estructura y composición química

3 Enlaces fuertes, en algunos casos orden de largo alcance

4 Clasificación de los materiales sólidos Desorden Orden Amorfos y cristalinos

5 Clasificación de los materiales solidos Materiales semicristalinos l región cristalina región amorfa región cristalina L región amorfa región cristalina

6 LA FES SE CENTRA EN EL ESTUDIO DE LOS MATERIALES CRISTALINOS, ES DECIR AQUELLOS EN LOS QUE EXISTE SIMETRÍA DE TRASLACIÓN: Fundamentalmente la teoría es de aplicación a metales y cerámicas No sería aplicable a polímeros, y buena parte de los materiales compuestos. El término Física de la Materia Condensada, se usa hoy en día para el estudio de gases densos, líquidos, cristales, amorfos, semi-cristalinos, etc

7 El principal objetivo de la Física del Estado Sólido (FES) es explicar las propiedades de los materiales sólidos cristalinos en términos de sus constituyentes a nivel atómico. Se puede considerar que hay al menos cuatro aspectos generales, fundamentales en Física del Estado Sólido: La aplicación de los principios de la mecánica cuántica en un sistema de muchas partículas. La simetría de translación. El concepto de excitaciones elementales o excitaciones del cristal como un todo, fonones, electrones, magnones, etc. La presencia de imperfecciones, impurezas, vacantes, intersticiales, dislocaciones, etc. que definen el paso del estudio del sólido ideal al sólido real. En el curso usaremos una descripción histórica

8 Descripción histórica se base en analizar y estudiar la evolución histórica de los modelos desarrollados por diferentes científicos a lo largo de la historia: Los modelos que iremos explicando se basarán en una serie de hipótesis, en general simplificaciones de la realidad. En muchos casos estas simplificaciones son muy importantes (por ejemplo modelo de Sommerfeld). Una vez establecidas las hipótesis se determinan las propiedades de los materiales bajo estudio usando el modelo establecido. Dichas propiedades se comparan con resultados experimentales, si hay concordancia el modelo es validado. Cuando se encuentran discrepancias hay que volver a las hipótesis del modelo y ver cual de ellas modificamos para intentar establecer un modelo mejorado que nos permita conservar las predicciones correctas del modelo previo y corregir las predicciones incorrectas del modelo previo. En el curso usaremos esta aproximación de forma constante. Que además es la aproximación con la que se ha desarrollado el conocimiento en la mayor parte de las áreas científicas

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11 Aspectos tecnológicos Parte de la FES Procesado Información Comunicación Energía Medicina Transporte Tecnología espacial Seguridad Nacional Propiedades electrónicas Fonones Interacciones electrón-fonón Transiciones de fase Magnetismo Semiconductores Defectos/difusión Superficies, interfases Física de baja temperatura Tabla.5.1. Conexiones entre los diferentes subareasde la Física del Estado Sólido y diversos sectores de aplicación. 3. conexión elevada, 2. conexión importante, 1. conexión posible, 0. sin conexión conocida. [1] Physics Trough the 1990s, Condensed Matter Physics, National Academy Press, Washington, D. C LA FES ha sido y sigue siendo clave para el desarrollo tecnológico actual

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20 H h h e = + + U ( u, r) + G( u 2M 2m ) 2 2 u r r r l 2 2 l i i< j Separación del problema en dos, Estudio de los electrones en el potencial creado por los iones. Estudio de los iones Aproximación de Born-Oppenheimer. 2 2 i i 2 j Eliminados grados de libertad electrónicos. Dinámica de fonones No es posible resolver este Hamiltoniano para un sistema de partículas: APROXIMACIONES Los iones se suponen estáticos. Modelo estático Iones tratados clásicamente, energía de cohesión Se considera la interacción de Coulomb, autoconsistencia. Aproximación monoelectrónica Iones en una red periódica, potencial periódico. Teorema de Bloch Potencial iónico eliminado. Modelo de Sommerfeld (estadística de Fermi-Dirac). Potencial iónico eliminado. Modelo de Drude (estadística de Maxwell-Boltzmann). Para el estudiante de Física los sólidos cristalinos son un excelente campo de pruebas de sus conocimientos. Es la primera vez que el estudiante se enfrenta a un problema real de enorme complejidad y en el que tendrá que usar buena parte de sus conocimientos para resolver tan complejo problema

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22 FES CONTEMPLA LAS ETAPAS 1 Y 2 NATURALEZA DE LOS SÓLIDOS ELEMENTOS DE CRISTALOGRAFÍA COHESIÓN Etapa 1 ESTRUCTURA CRISTALINA RED+BASE ESTRUCTURAL DIFRACCIÓN DE RAYOX X, ELECTRONES Y NEUTRONES ELECTRONES RED TEORÍA DE ELECTRONES LIBRES ELECTRONES EN SÓLIDOS VIBRACIONES RETICULARES (aprox. Armónica) ANARMONICIDAD Etapa 2 SUPERFICIE DE FERMI TEORÍA DE BANDAS CALOR ESPECÍFICO EN AISLANTES DILATACIÓN COND. TERMICA FUSIÓN

23 Y ALGUNOS APARTADOS DE LA TRES, SI BIEN POR FALTA DE TIEMPO SE REALIZA UN ESTUDIO PARCIAL DE VARIOS DE ELLOS PROPIEDADES DE TRANSPORTE PROPIEDADES ÓPTICAS MAGNETISMO SUPERCONDUCTIVIDAD SISTEMAS DE BAJA DIMENSIÓN COND. ELÉCTRICA COND. TÉRMICA POLARIZABILIDAD FOTOCONDUCTIVIDAD EXCITONES CENTROS DE COLOR LUMINISCENCIA FERROELECTRICIDAD DIAMAGNETISMO PARAMAGNETISMO TEORÍA DE LONDON TEORÍA BCS ELECTRONES EN 2D EFECTO HALL CUÁNTICO Etapa 3 EFECTOS TERMOELÉCTRICOS Y TERMOMAGNÉTICOS ORDEN MAGNÉTICO FERROMAGNETISMO ANTIFERROMAGNESTISMO FERRIMAGNETISMO SUPERCONDUTIVIDAD DE ALTA TEMPERATURA CRÍTICA