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Dr. Aldo Humberto Romero CINVESTAV, Unidad Queretaro

e-mail: [email protected]

Física del Estado Sólido

AHRC Abril-Julio 2011

Tareas: 25 % de la Nota. Examenes: 50% de la Nota. 1. Lunes 6 de Junio (sin mi presencia) 2. Jueves 14 de Julio Proyecto (a definir la proxima semana). 25% de la Nota. Oficina: Ma/Ju 11:00 am – 12:30 pm (a menos se discuta en clase)

Evaluación


Asistente: Jose Alonso Lopez, [email protected]

•  “Introducción a la Física del Estado Sólido”, Charles Kittel.

•  “Solid state physics”, N.W. Ashcroft, N.W. Mermin.

•  “Física del Estado Sólido”, H.E. Hall.

•  “Física de los Sólidos”, Frederick C. Brown.

•  “Solid-state physics: an introduction to principles of materials

sciences”, Herald Ibach.

•  “Problems in solid state physics”, ed. Goldsmid.

•  “Solid-state physics: introduction to the theory”, J.D. Patterson,

B.C. Bailey (2007).

Otros… el Zeeman, Galperin, Grosso y Pastorini Parravicini

Algunos Referencias


Qué es Física del Estado Sólido?

www.webelements.com AHRC Abril-Julio 2011

Estados de la Materia Gases Átomos o móleculas no enlazadas,

ningún orden

enlaces débiles, orden de corto alcance

Enlaces fuertes, orden de largo alcance (cristales), de mediano para vidrios y de corto para amorfos

SOLIDOS

Líquidos


Tipos de sólidos

- Los sólidos cristalinos adoptan formas geométricas regulares en posiciones fijas en el espacio, alrededor de las cuales, los únicos movimientos son vibracionales.

- Los sólidos amorfos carecen de esta regularidad en gran extensión, por estar constituidos por macromoléculas que encuentran dificultad para acomodarse en posiciones fijas.

sólidos cristalinos sólidos amorfos cristales líquidos

- Se diferencian dos tipos de sólidos: cristalinos y amorfos.


Cuasi cristales Sólidos cristalinos

Es costumbre restringir la Física del Estado Sólido al estudio de los sólidos cristalinos (los sólidos más comunes).

El término Física de la Materia Condensada se utiliza hoy en día para incluir el estudio de gases densos, líquidos, cristales, plásticos, cerámicos, sólidos amorfos, materiales orgánicos y biológicos, materiales compuestos (composite).


Por qué es importante el estudio de los sólidos?

Los elementos son generalmente sólidos a temperatura ambiente


•  Edad de Hierro:

•  Edad de Piedra: Se utilizan materiales naturales: piedra, madera, barro, piel, etc

Tecnología Uso y entendimiento de los materiales

•  Edad de Bronce: El bronce es una aleación cobre + < 25% de estaño + otros elementos.

El uso del hierro y del acero (Fe + C)

cerámicos, semiconductores, polímeros, etc. •  Edad moderna:


Propiedades Propiedades son las maneras que el material responde al ambiente y a fuerzas externas.

Propiedades Estructurales: respuesta a las presiones que se ejercen sobre una estructura.

- ¿Qué causa la cohesión notable observada en la materia sólida? -  Muchos sólidos exhiben regularidades y correlaciones espaciales en grande escala, con espaciamiento inter-atómicos y simetrías regulares. ¿Qué causa esto?


respuesta a fuerzas mecánicas, presiones, etc

Propiedades Mecánicas:

- ¿Por qué algunos sólidos se deforman fácilmente bajo una tensión aplicada y después vuelven a su condición original cuando se quita la tensión? -  ¿Por qué otros sólidos se rompen bajo las mismas condiciones? ¿Qué determina la velocidad de las ondas elásticas en los sólidos?


Propiedades Eléctricas: respuesta a campos eléctricos; conductividad, resistencia, etc.

- ¿Por qué son algunos sólidos son buenos conductores de la electricidad y otros no? -  ¿Qué hace que la resistencia de ciertos sólidos desaparezcan bajo ciertas condiciones de modo que se convierta en superconductores?


respuesta a campos magnéticos; ferromagnetismo, paramagnetismo, etc.

- ¿Qué hace que algunos pedazos de hierro formen imanes permanentes? -  Hay solamente cuatro elementos que pueden formar imanes naturales, el hierro, el níquel, el cobalto, y el gadolinio y ningún otro. ¿Por qué es este el caso?

Propiedades magnéticas:

IBM


Propiedades Térmicas: están relacionadas a la transmisión de calor y capacidad calórica.

- ¿Qué hace que algunos sólidos sean buenos aisladores térmicos y algunos buenos conductores de calor? -  ¿Por qué algunos sólidos tienen una mayor capacidad de mantener y almacenar energía térmica? -  ¿Qué causa que algunos sólidos se fusionen a baja temperatura y otros a temperaturas mucho más altas?


respuestas a campos electromagnéticos; incluye absorción, transmisión y scattering de luz.

Propiedades Opticas:

- ¿Por qué son algunos sólidos transparentes y otros opacos? - ¿Qué causa el color de los sólidos?

prisma

SHG

laser

ventanas

espejo

Fibra de vidrio AHRC Abril-Julio 2011

nanoestructuras - Sistemas en el cual por lo menos una dimensión es menor que 100 nm

- Avances en manipulación a escalas nanométricas

http://www.research.ibm.com/nanoscience/local_oxidation.html

Imagen de microscopio de fuerza atómica que muestra un ejemplo donde líneas de óxido de cerca de 20 nm de ancho fueron utilizadas para definir el patrón "IBM NANO" del dióxido del silicio en una oblea de silicio.

•  Películas delgadas •  Multicapas •  Fullerenos •  Natubos •  Imanes moleculares


- No es simplemente una reducción de tamaño, sino un fenómeno intrínseco a escalas nanométricas:

•  Comportamientos Cuánticos •  Confinamiento de tamaño •  Nuevas propiedades físicas


ω =E

=p2

2meλ =

2πp

φ(r, t) = c exp(ik · r − wt)

P (r, t) = φ(r, t)φ∗(r, t)

[x, p] = i

< E >=

drφ∗

−i

∂

∂t

φ =< φ|−

i

∂

∂t|φ >

< φi|φj >= δij

φ =

m

Cm|m > < m|n >= δmn

n

|n >< n| = 1

φn(x) =

2

Lsin

π

Lnx kx =

π

Lnx E =

22m

(k2x + k2y + k2z)

N = 2

L

π

3 kF

0

1

84πk2dk =

1

3π2k3FL

3 and E =k2F2me

ν(EF ) =d(N/V )

dE=

1

2π2

2m

2

3/2

E1/2F

vF =KF

m=

(3π2N/V )1/3

m

F

f(E, T )ν(E)dE = N

f(E, T ) =1

exp(µ− E/KT ) + 1

Born-Oppenheimer approximation

- In the study of materials exists two time scales due to

ep mM 2000≈

- Giving rise to the well known Born-Oppenheimer:

The elctronic states are treated as the nucleus are fixed.

While, the slow motion of the nuclei are considered such that the electros are instantaneously able to follow the potential created by the nuclei, such that the total energy is minimized.


-  Estructura cristalina y difracción.

-  Dinámica de redes (vibraciones y fonones).

-  Scattering neutrones, electrones, fotones, etc

-  Propiedades térmicas de los sólidos. (Elasticas?)

-  Electrones libres en metales (teoria de Sommerfeld).

-  El potencial periódico de la red. Estructura de bandas, Gap, etc

-  Dinámica de los electrones de Bloch

-  Propiedades opticas y de transporte de metales, semiconductores y aislantes.

-  Propiedades magnéticas

-  Superconductividad

CONTENIDO DEL CURSO


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Career

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