FK020 Elektrodynamika pevných látek

Přírodovědecká fakulta
jaro 2021
Rozsah
2/1/0. 3 kr. (plus ukončení). Ukončení: zk.
Vyučující
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (přednášející)
prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc. (přednášející)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc.
Ústav fyziky kondenzovaných látek – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav fyziky kondenzovaných látek – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je otevřen studentům libovolného oboru.
Cíle předmětu
V rámci kurzu jsou studentům představeny základy teorie optické odezvy. Studenti jsou seznámeni s často používanými fenomenologickými modely a hlavními mikroskopickými mechanismy odezvy, s optickými vlastnostmi běžných materiálů i pokročilých materiálů studovaných na ÚFKL PřF a ve skupině Funkční vlastnosti nanostruktur CEITEC MU a s nejvýznamnějšími spektroskopickými metodami.
Výstupy z učení
Po absolvování kurzu by studenti měli
- být schopni popisovat šíření záření v látce na úrovni klasické elektrodynamiky,
- rozumět základům kvantověmechanického popisu optické odezvy,
- rozumět hlavním mechanismům odezvy a orientovat se v optických lastnostech běžných materiálů, a
-mít přehled o běžných spektroskopických metodách, o oblastech jejich použití a o způsobech analýzy optických dat.
Osnova
  • 1. Od mikroskopických Maxwellových rovnic k makroskopickým Maxwellovým rovnicím, materiálové vztahy a odezvové funkce, Fourierova transformace Maxwellových rovnic, popis šíření elektromagnetického záření v látce, dielektrická funkce a index lomu.
  • 2. Obecné vlastnosti odezvových funkcí, Kramersovy-Kronigovy relace a sumační pravidla.
  • 3. Klasické modely: odezva vázaných a volných nábojů.
  • 4. Kvantověmechanický popis interakce elektromagnetického záření s látkou, odvození vztahů pro odezvové funkce. Shrnutí jednoelektronové teorie krystalických pevných látek, vyjádření odezvy souboru elektronů v krystalické pevné látce v rámci jednoelektronové teorie a aproximace náhodných fázi.
  • 5. Mechanismy: jedno- a více fononová absorpce, odezva plasmy volných elektronů, mezipásové přechody a kritické body.
  • 6. Přehled optických vlastností kovů, polovodičů, izolantů, nanostruktur, supravodičů a dalších materiálů studovaných na ÚFKL PřF MU.
  • 7. Aproximace efektivního prostředí pro nehomogenní systémy.
  • 8. Přehled spektroskopických metod. Lineární odezva – měření odrazivosti, propustnosti; elipsometrie. Rozptyl záření – Ramanova spektroskopie. Emisní spektroskopie – fotoluminiscence.
Literatura
  • Martin Dressel a George Gruner: Electrodynamics of Solids – Optical properties of Electrons in Matter, Cambridge University Press 2002.
  • Mark Fox: Optical Properties of Solids, Oxford University Press 2010.
  • Eduard Schmidt a kol.: Optické vlastnosti pevných látek, SPN 1986.
  • Frederick Wooten: Optical Properties of Solids, Academic Press 1972.
  • Hans Kuzmany: Solid State Spectroscopy, Springer, 2009
Výukové metody
Přednášky a laboratorní cvičení, ve kterých se studenti podílejí na optických měřeních. Cvičení zahrnuje tyto úlohy: (i) určení kritických bodů mezipásových přechodů v polovodičích (Si, Ge, GaN, CdS) pomocí spektroskopické elipsometrie; (ii) určení emisních energií kvantových jam a kvantových teček InGaAs nanostruktur pomocí fotoluminiscence; (iii) určení řádného a mimořádného spektra fononů v krystalickém GaN a SiO2 pomocí infračervené odrazivosti a Ramanské spektroskopie; (iv) srovnání frekvenční závislosti odezvy volných elektronů v dopovaném Si, supravodiči YBa2Cu3O7 a feromagnetickém vodiči La0.3Sr0.7MnO3 pomocí infračervené elipsometrie.
K řešení úloh budou použity elipsometry Woollam VASE a Woolam IR-VASE a Ramanský spektrometr NTMDT z core facility CEITECu a infračervený spektrometr Bruker IFS 66 z vybavení UFKL.
Metody hodnocení
Podmínkou postupu k ústní zkoušce je úspěšné absolvování laboratorní části, tj. odevzdání protokolů o měření k alespoň třem úlohám z výše uvedeného seznamu.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2020, jaro 2022, jaro 2023, jaro 2024, jaro 2025.