INTRODUCCIÓN A CIENCIA DE LOS MATERIALES DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO DEL PROGRAMA DE LA ASIGNATURA

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1 INTRODUCCIÓN A CIENCIA DE LOS MATERIALES TEORÍA/PRÁCTICA: 6 CRÉDITOS: 12 CLAVE: 10A5871 III. DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO DEL PROGRAMA DE LA ASIGNATURA III.1 OBJETIVO GENERAL: Proporcionar a los estudiantes que inician la Maestría en Ciencias de los Materiales con los conceptos fundamentales de las Relaciones entre estructura y composición, síntesis y procesamiento, propiedades ópticos, térmicos, mecánicos, eléctricos y magnéticos, y aplicaciones de Los materiales. III.2 DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO TEMAS Y SUBTEMAS 1.- FUNDAMENTOS DE MECÁNICA CUÁNTICA 1.1 Principio de incertidumbre de Heisenberg 1.2 Ecuación de Schrödinger 1.3 Función de onda de electrones libre 1.4 Cuantización de la energía 1.5 Números cuánticos y degeneración 1.6 El spin del electrón 2.- ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS 2.1 Estructura del átomo de hidrógeno 2.2 Funciones de Ondas de los electrones en el átomo 2.3 Números cuánticos 2.4 Momento angular 2.5 Principio de exclusión de Pauli 2.6 Sistema periódico de los elementos 2.7 Enlaces químicos Enlace metálico Enlace covalente Enlace iónico Enlace molecular Enlace de hidrógeno 2.8 Hibridación 2.9 Potencial de ionización y la energía de un electrón ligado (afinidad) 5 Horas TIEMPO

2 3.- ESTADOS ELECTRÓNICOS EN SÓLIDOS 3.1 Elementos de la teoría de bandas para sólidos 3.2 Energía de Fermi 3.3 Masa efectiva 3.4 Densidad de estado electrónicos 3.5 Límite superior de una banda de energía (Zona de Brillouin) 3.6 Electrones y huecos en la teoría de bandas 3.7 Métodos de análisis experimental de la estructura de bandas 3.8 Tipos de sólidos 3.9 Energía de enlace de átomos en cristales 4.- ESTRUCTURA CRISTALINA DE SÓLIDOS 4.1 Red cristalina y Celda unitaria 4.2 Red espacial, traslación 4.3 Tipos de cristales, Simetría, operaciones y elementos de simetría 4.4 Planos cristalinos e índices cristalográficos 4.5 Número de coordinación y factor de compactación 4.6 Anisotropía 4.7 Tipos de redes cristalinas de sólidos 4.8 Red cristalina de Metales 4.9 Red cristalina de Cristales iónicos 4.10 Red cristalina de Cristales covalentes 4.11 Red cristalina de Cristales moleculares 4.12 Polimorfismo 4.13 Métodos de pruebas de cristales 4.14 Difracción de rayos x 4.15 Difracción de electrones 4.16 Difracción de neutrones 5.- DEFECTOS PUNTUALES Y EXTENDIDOS EN SÓLIDOS 5.1 Defectos puntuales 5.2 Vacancias 5.3 Átomos intersticiales 5.4 Formación de defectos puntuales 5.5 Impurezas 5.6 Defectos electrónicos 5.7 Defectos extendidos 5.8 Defectos lineales 5.9 Defectos superficiales 5.10 Defectos en bulto 5.11 Métodos experimentales para la observación de defectos extendidos Superficie de cristales y estados superficiales 6.- VARIEDAD DE FASES EN SÓLIDOS 6.1 Monocristales y policristales 6.2 Sólidos no cristalinos monofásicos 6.3 Estado amorfo 6.4 Cristales líquidos 6.5 Vidrios 6.6 Polímeros 6.7 Aleaciones Mezclas mecánicas Soluciones sólidas Composiciones químicas 7 Fases intermedias. Ejemplos 8 Estados multifásicos en sólidos 9 Cerámicos 10 Materiales ibas ivos inorgánicos 11 Materiales ibas ivos polímeros 8 Horas 5 Horas

3 7.- TERMODINÁMICA DE FASES 7.1 Introducción a la termodinámica 7.2 Sistemas termodinámicos y sus características 7.3 Energía interna. Entalpía 7.4 Energía libre. Entropía 7.5 Capacidad calorífica. 7.6 Primera ley de la termodinámica y ley de Einstein 7.7 Reacciones exotérmicas y endotérmicas 7.8 Regla de fases de ibas 7.9 Segunda ley de la termodinámica. Ciclo de Carnot 7.10 Ecuaciones de ibas-helmholtz 7.11 Tercera ley de la termodinámica 7.12 Potenciales químicos 7.13 Transiciones de fase de Primer orden 7.14 Transiciones de fase de Segundo orden 7.15 Interpretación estadística de la entropía 8.- DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO 8.1 Diagramas de fases 8.2 Diagramas de equilibrio de soluciones sólidas continuas 8.3 Regla de la palanca 8.4 Diagramas de fase de tipo eutéctico 8.5 Diagramas de fase de tipo peritéctico 8.6 Sistemas con formación de composiciones químicas. 8.7 Aleaciones de tres o más elementos 8.8 Diagrama de equilibrio de aleaciones con transformaciones en estado sólido 8.9 Relación entre las propiedades de las aleaciones y el tipo de diagrama de equilibrio 9.- PROCESOS CINÉTICOS EN SÓLIDOS 9.1 Dirección de la reacciones químicas 9.2 Equilibrio químico 9.3 Ley de acción de masas 9.4 Constante de equilibrio 9.5 Constante de equilibrio y su relación con la temperatura 9.6 El orden de las reacciones 9.7 Reacciones monomoleculares 9.8 Reacciones vistas como tipo monomolecular 9.9 Reacciones bimoleculares y trimoleculares 9.10 Constantes de equilibrio y cambios normales de la energía libre F y G 9.11 Energía de activación de reacciones 9.12 Regla de los pasos 9.13 Ecuación de Arrhenius 10.- DIFUSIÓN DE ÁTOMOS EN SÓLIDOS 10.1 Cinética y procesos de difusión 10.2 Primera Ley de Fick 10.3 Segunda Ley de Fick 10.4 Soluciones de algunos problemas prácticos 10.5 Dependencia del coeficiente de difusión con la temperatura 10.6 Relación del coeficiente de difusión con la concentración 10.7 Mecanismos atómicos de difusión 10.8 Tipos de difusión 10.9 Difusión a través de defectos puntuales Difusión en soluciones sólidas intersticiales Difusión en soluciones sólidas substitucionales Difusión a lo largo de defectos extendidos Efecto Kirkendalla Métodos experimentales para análisis de difusión

4 11.- FORMACIÓN DE CRISTALES 11.1 Cristalización homogenea a partir de una fase líquida 11.2 Cristalización heterogenea a partir de una fase líquida 11.3 Crecimiento de cristales a partir de una fase vapor 11.4 Crecimiento de cristales a partir de soluciones 11.5 Estructura del ingotes metálicos 11.6 Crecimiento de monocristales 11.7 Métodos de obtención de materiales ultra puros 11.8 Crecimiento epitaxial de películas PROPIEDADES 12. ELASTICIDAD Y PLASTICIDAD DE SÓLIDOS 12.1 Esfuerzos y deformaciones Deformación elástica Deformación plástica o permanente Plano y dirección de deslizamiento 12.2 Dislocaciones y la deformación plástica Concepto de superplasticidad Destrucción de sólidos Tipos de destrucción Factores que influyen en la falla (fractura) plástica (dúctil) y frágil Esfuerzos residuales 13. PROPIEDADES MECÁNICAS DE METALES Y ALEACIONES 13.1 Tipos de pruebas 13.2 Pruebas estáticas Pruebas de tensión Pruebas de compresión Pruebas de dureza 13.3 Pruebas dinámicas 13.4 Pruebas cíclicas, fatiga 13.5 Resistencia a altas temperaturas, prueba de termofluencia 13.6 Método de estimación de viscosidad 13.7 Uso de aleaciones para el mejoramiento de las propiedades mecánicas 14. PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS SOLIDOS 14.1 Distribución de electrones en un sólido en estados de energía Distribución de Maxwell-Bolzman Distribución de Fermi Dirac 14.2Concepto acerca de los potenciales electroquímico, químico y función de trabajo de electrones en metales 14.3Conductividad eléctrica de los metales La naturaleza aditiva de la resistencia metálica. Regla de Matheson Ley de Joule-Lentz Superconductividad Conductividad eléctrica de dieléctricos Conexión entre conducción iónica y difusión de red. Relación de Einstein Conductividad eléctrica de cristales moleculares 14.4Potenciales químicos y electroquímicos en semiconductores La teoría de un potencial químico en semiconductores Los semiconductores con su propia conductividad Los semiconductores con niveles de impurezas 14.5Conductividad eléctrica de semiconductores Dependencia de la conductividad eléctrica con la temperatura en semiconductores Dependencia de la mobilidad de electrones y huecos con la temperatura 14.6Estimación de parámetros Métodos experimentales para estimación de parámetros Definición de la banda prohibida, gap y su defecto de energía de ionización El efecto Hall 8 horas

5 15. PROPIEDADES TERMICAS DE SOLIDOS 15.1 Capacidad térmica de la red cristalina La ley de Dulong y Petite La teoria de Einstein Desarrollo de la teoria de Debby 15.5 Capacidad termica del gas electrones 15.6 Energia cinetic y potencial de una red unidimensional 15.7 Oscilaciones normales 15.8 Oscilaciones de una cadena de atomos 15.9 Oscilaciones de una red tridimensional Vibraciones de una red anarmonica Coeficiente de expansion termica Conducción de Calor en solidos Conducción de calor en una red cristalina Fonones 16. PROPIEDADES ÓPTICAS de SÓLIDOS 16.1Reflexión y absorción de luz 16.2Absorción característica Transiciones directas Transiciones indirectas Materiales altamente dopados 16.3Absorción de excitones 16.4Absorción por portadores de carga libres 16.5Absorción por impurezas 16.6Absorción por la red 16.7Luminiscencia Tipos de transiciones luminiscentes en sólidos Radiación por recombinación banda-banda Transiciones fundamentales Precombinación de excitones Recombination transition zona-nivel de energía de impuresas Recombinación par donor-aceptor 16.8Fenómeno fotoeléctrico. Un efecto fotoeléctrico interno 8 Horas 8 horas 17. PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE SÓLIDOS 17.1Diamagnetismo 17.2Paramagnetismo Dependencia de la sensitividad de magnetización con la temperatura Naturaleza de los momentos magnéticos constantes Investigación experimental de momentos magnéticos 17.3Diamagnetismo y paramagnetismo de sólidos 17.4Ferromagnetismo Materiales ferromagnéticos Naturaleza del estado ferromagnético Dependencia de la magnetización con la temperatura Antiferromagnetismo 17.6 Ferritas 17.7 Susceptibilidad magnética de semiconductores 17.8 El fenómeno de la resonancia magnética en semiconductores 17.9 Fenómenos en campos magnéticos fuertes 8 horas

6 18. PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE SÓLIDOS Constante dieléctrica (permitividad) Vector de polarización. Polarización inducida Susceptibilidad dieléctrica Polarización Iónica Polarización orientacional Polarización electronica Sólidos en campos permanentes Campos efectivos y polarización inducida Perdidas dieléctricos Ruptura eléctrica TIPOS de MATERIALES 19. METALES Y ALEACIONES Aleaciones hierro-carbono Componentes y fases en las aleaciones hierro-carbono Diagrama de equilibrio hierro-carbón Influencia de las impurezas en el polimorfismo de los aceros Metales no ferrosos y sus aleaciones Aluminio Aleaciones de aluminio Cobre Aleaciones de cobre Otros tipos diferentes de aleaciones 20. SEMICONDUCTORES 20.1Semiconductores elementales Germanio Silicio Diamante y estaño 20.2Semiconductores compuestos Compuestos de los grupos IV IV Compuestos de los grupos III V Compuestos de los grupos II VI 21. DIELÉCTRICOS 21.1 Clases de dieléctricos 21.2 Ceramicos Polimeros Absorción resonante 21.5 Electrostricción y piezoelectricidad 21.6 Ferroelectricidad TOTAL 8 Horas 90 hrs. III.3 BIBLIOGRAFIA UTILIZADA EN LA ASIGNATURA 1. W. Gonzalez Vinas and H. L. Mancini, An introduction to Material Science, Princeton University press, Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, John Wiley and Sons, Nicola Spaldin, Magnetic Materials, Cambridge University press, Eoin O Reilly, Quantum theory of solids, Taylor and Francis, P. Y. Yu and M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors, Springer, 2001.

7 6. P. Mohn, Magnetism in the Solid State. An Introduction. Springer, Roger G. Newton, Quantum Physics, Springer, III.4 PROCEDIMIENTOS O INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN A UTILIZAR 1. Dos Exámenes parciales 2 Ultimo examen general