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Academic Year/course: 2023/24

447 - Degree in Physics

26926 - Solid State I


Syllabus Information

Academic year:
2023/24
Subject:
26926 - Solid State I
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
447 - Degree in Physics
ECTS:
6.0
Year:
4
Semester:
First semester
Subject type:
Compulsory
Module:
---

1. General information

This subject is the first part of the Solid State Physics module of the degree in Physics. It will be completed with the Solid State II subject in the second semester. For this reason, one of its objectives is to provide the student with some basic tools with which to approach the study of crystalline solids. From these tools the student will learn how different microscopic models can be used to determine macroscopic properties and will apply it to problems such as the calculation of the modes of vibration of the lattices, the calculation of different contributions to the heat capacity or transport phenomena associated with the application of temperature gradients, electric or magnetic fields. Specifically, the following points will be covered:

Crystalline solids. structures. crystal bond.

Lattice dynamics. Specific heat of the network. thermal properties.

Electronic states: free electrons and band approximation. Fermi surface. Electrical and thermal conductivities associated with electrons.

These approaches and objectives are aligned with the following Sustainable Development Goals (SDG) of the United Nations 2030 Agenda (https://www.un.org/sustainabledevelopment/), in such a way that the acquisition of the results of subject learning provides training and competence to contribute to some extent to its achievement: Goal 4: Quality education.

2. Learning results

The Solid State Physics is a fundamental discipline for the acquisition by the student of the competences of the Degree in Physics since in it the student learns to propose microscopic models for solids and apply said models to the calculation of macroscopic properties. This type of relationship between the models and the phenomena to which they are applied is of great importance so that the student obtains fundamental competences in the approach and resolution of the problems that arise within the Degree in Physics.

Upon passing this subject, the student will acquire the following learning outcomes:

  • Knowledge of Bravais lattices in real and reciprocal spaces. Description of crystalline structures. Determination of structures based on diffraction measurements.
  • Description of the different types of bonding in crystals. Evaluation of cohesion energies in crystals with different types of bonds.
  • Determination of the dynamics of crystalline latttices: phonons. Calculation of the contribution to the heat capacity and thermal conductivity of the lattice.
  • Knowledge of the different models to obtain electronic states in solids: free electrons, energy bands. Theoretical and experimental determination of the Fermi surface.
  • Calculation of some properties associated with electrons: electronic contribution to the heat capacity of solids, thermal and electrical conductivities associated with electrons, Hall effect.

3. Syllabus

0. INTRODUCTION

 

CRYSTRAL STRUCTURE. DIFFRACTION. COHESION

1. Crystal structure

2. Determination of crystal structures

3. Crystal binding 

 

PHONONS. THERMAL PROPERTIES

4. Lattice dynamics 

5. Lattice thermal properties 

 

ELECTRONS. ELECTRONIC TRANSPORT

6. Drude and Sommerfeld theories

7. Electrons in a periodic potential 

8. Semiclassical dynamics of Bloch electrons 

4. Academic activities

This 6 ECTS course includes the following learning tasks:

  • Lectures (4.5 ECTS: 45 hours). 
  • Interactive solving problems sessions (1 ECTS: 10 hours). 
  • Laboratory sessions (simulations in computer lab, 0.5 ECTS: 5 hours). 

5. Assessment system

Realization of problems and questions on the different topics of this subject. The score of these hand-outs will be the average value of those obtained (scored from 0 to 10) and will constitute 20% of the final grade. The professor will assign them throughout the semester and students must present their solutions in writing. A minimum of 3.0 out of 10 is required to average with the rest of the activities. Otherwise, the student will be evaluated only by a final comprehensive exam.

Result of the exam that will constitute 80% of the overall result. The exam will consist of two parts, one of theoretical questions, and another of problems. Each of them will be scored between 0 and 10. The final score of the exam will be the average of the two parts. Results below 30% will not be averaged in any of the parts, in which case the subject will be considered failed. The student will be able to obtain 100% of the final grade through these activities. Said final qualification will be made public at the end of the academic period.

Passing the subject through a single global examination:

The evaluation will be obtained directly from a written exam that will consist of two parts: one of theoretical questions and another of problems. Each of these parts will be scored between 0 and 10. The final result will be the average of the two evaluations. Results below 30% will not be averaged in any of the parts, in which case the subject will be considered failed. This exam may be different from the progressive assessment one, in order to obtain a more complete information on the skills acquired by the student in the subject.


Curso Académico: 2023/24

447 - Graduado en Física

26926 - Estado sólido I


Información del Plan Docente

Año académico:
2023/24
Asignatura:
26926 - Estado sólido I
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
447 - Graduado en Física
Créditos:
6.0
Curso:
4
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Obligatoria
Materia:
---

1. Información básica de la asignatura

Esta asignatura es la primera parte del módulo sobre Física del Estado Sólido del grado en Física. Se completará con la asignatura Estado Sólido II en el segundo semestre. Por ello uno de sus objetivos es proporcionar al estudiante algunas herramientas básicas con las que abordar el estudio de los sólidos cristalinos. A partir de esas herramientas el estudiante aprenderá como puede utilizar diferentes modelos microscópicos para determinar propiedades macroscópicas y lo aplicará a problemas como el cálculo de los modos de vibración de las redes, el cálculo de diferentes contribuciones a la capacidad calorífica o fenómenos de transporte asociados a la aplicación de gradientes de temperatura, campos eléctricos o campos magnéticos. Concretamente se cubrirán los siguientes puntos: 

Sólidos cristalinos. Estructuras. Enlace cristalino.

Dinámica de redes. Calor específico de la red. Propiedes térmicas.

Estados electrónicos: electrones libres y aproximación de bandas. Superficie de Fermi. Conductividades eléctrica y térmica asociadas a electrones.

 

Estos planteamientos y objetivos están alineados con los siguientes Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de Naciones Unidas (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia para contribuir en cierta medida a su logro:  Objetivo 4: Educación de calidad. 

2. Resultados de aprendizaje

La Física del Estado Sólido es un elemento fundamental para la adquisición por parte del alumno de las competencias del Grado en Física ya que en ella el alumno aprende a plantear modelos microscópicos para los sólidos y aplicar dichos modelos al cálculo de propiedades macroscópicas. Este tipo de relación entre los modelos y los fenómenos a los que se aplican es de gran importancia para que el alumno obtenga competencias fundamentales en el planteamiento y resolución de los problemas que se plantean dentro del grado en Física.

El estudiante, al superar esta asignatura, adquirirá los siguientes resultados de aprendizaje:

Conocimiento de las redes de Bravais en los espacios real y recíproco. Descripción de estructuras cristalinas. Determinación de estructuras basada en medidas de difracción.

Descripción de los distintos tipos de enlace en cristales. Evaluación de energías de cohesión en cristales con diferentes tipos de enlace.

Determinación de la dinámica de las redes cristalinas: fonones. Cálculo de la contribución a la capacidad calorífica y a la conductividad térmica de la red.

Conocimiento de los distintos modelos para obtener los estados electrónicos en sólidos: electrones libres, bandas de energía. Obtención teórica y determinación de la superficie de Fermi.

Cálculo de algunas propiedades asociadas a los electrones: contribución electrónica a la capacidad calorífica de los sólidos, conductividades térmica y eléctrica asociadas a los electrones, efecto Hall.

3. Programa de la asignatura

0: INTRODUCCIÓN

ESTRUCTURA CRISTALINA. DIFRACCIÓN. COHESIÓN

1: Estructura cristalina.

2: Determinación de estructuras.

3: Cohesión en cristales.

FONONES. PROPIEDADES TÉRMICAS

4: Dinámica de la red.

5: Propiedades térmicas de la red.

ELECTRONES. TRANSPORTE ELECTRÓNICO

6: Modelo de Drude y de Sommerfeld.

7: Electrones en un potencial periódico.

8: Dinámica semiclásica de electrones Bloch.

4. Actividades académicas

La distribución, en función de los créditos, de las distintas actividades programadas es la siguiente:

Habrá un máximo de 60 sesiones presenciales. 45 corresponden a la actividad formativa “Adquisición de conocimientos sobre los contenidos de la asignatura”, y 10 a la actividad formativa “Resolución de problemas relacionados con los contenidos de la asignatura”.

Habrá una sesión de prácticas, que corresponden a la actividad formativa “Observación y análisis de fenómenos y simulaciones sobre propiedades de los sólidos” con un total máximo de 5 horas. Las clases prácticas se imparten en sesiones de tarde en aula de informática.

El examen, como se especifica en la siguiente sección, se celebrará en las fechas indicadas por la Facultad de Ciencias.

5. Sistema de evaluación

Realización de problemas y cuestiones sobre los temas de la asignatura a lo largo del periodo de impartición de la misma. La calificación de estos trabajos será el valor promedio de las obtenidas en los diferentes ejercicios (puntuadas de 0 a 10) y supondrá el 20% de la nota final. El profesor los asignará a lo largo del curso y los alumnos deberán presentar su resolución por escrito. Se requiere un mínimo de 3.0 sobre 10 para promediar con el resto de actividades. En caso contrario el alumno pasará a ser evaluado solamente mediante prueba global.

Resultado de la prueba de examen que constituirá un 80% del resultado global. El examen consistirá en dos partes, una de cuestiones teóricas, y otra de problemas. Cada una de ellas se valorará entre 0 y 10. La valoración final de la prueba de examen será el promedio de la nota de las dos partes. No se promediarán resultados inferiores al 30% en cualquiera de las partes, en cuyo caso la asignatura se considerará suspendida. El alumno podrá obtener el 100% de la calificación final de la asignatura a través de estas actividades. Dicha calificación final será hecha pública al finalizar el periodo lectivo de la asignatura.

Superación de la asignatura mediante una prueba global única:

La evaluación se obtendrá directamente a partir de una prueba de examen escrita que consistirá en dos partes: una de cuestiones teóricas y otra de problemas. Cada una de estas partes se valorará entre 0 y 10. El resultado total será el promedio de las dos valoraciones. No se promediarán resultados inferiores al 30% en cualquiera de las partes, en cuyo caso la asignatura se considerará suspendida. Este examen podrá ser diferente del de la evaluación progresiva, con el objeto de obtener una información más completa sobre las competencias adquiridas por el alumno en la asignatura.