C8400 Kvantová chemie pevných látek, výpočty elektronové struktury

Přírodovědecká fakulta
jaro 2022
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
prof. RNDr. Mojmír Šob, DrSc. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Mojmír Šob, DrSc.
Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. RNDr. Mojmír Šob, DrSc.
Dodavatelské pracoviště: Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Předpoklady
Absolvování zkoušky z předmětu Fyzikální chemie.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je určen pouze studentům mateřských oborů.
Mateřské obory/plány
předmět má 6 mateřských oborů, zobrazit
Cíle předmětu
Přednáška se týká základů teorie a výpočtů elektronové struktury pevných látek. Nejprve jsou probírány principy a základní vztahy, v další fázi je pozornost věnována moderním metodám výpočtů elektronové struktury a jejich aplikací včetně magnetismu, strukturní stability, mechanických vlastností, fázových diagramů a mnohoúrovňového modelování atomové konfigurace rozlehlých poruch v pevných látkách. Závěr přednášky se zabývá strukturou a vlastnostmi nanokrystalických materiálů.
Výstupy z učení
Po absolvování tohoto kursu bude student schopen: rozumět souvislostem technicky významných vlastností pevných látek s jejich elektronovou strukturou; provádět výpočty elektronové struktury pro jednodušší systémy; použít výsledků těchto výpočtů pro analýzu souvislosti mezi strukturou a vlastnostmi pevných látek.
Osnova
  • Přehled základních pojmů kvantové fyziky a chemie: vlnová funkce, hustota pravděpodobnosti, Schrödingerova rovnice, analýza jednoduchých kvantových systémů. Základy prvoprincipielního přístupu k elektronové struktuře pevných látek: Schrödingerova rovnice pro pevnou látku, Born-Oppenheimerova aproximace, teorie funkcionálu hustoty, funkcionál výměnné a korelační energie, jeho lokální aproximace. Princip metod výpočtů elektronové struktury a jejich přehled (APW, OPW, LCAO, KKR, LMTO, LAPW, pseudopotenciály, KKR). Blochův teorém, aproximace těsné vazby. Úloha Greenových funkcí v teorii pevných látek, vyjádření lokální hustoty stavů a nábojové hustoty pomocí Greenových funkcí. Praktická ukázka výpočtů elektronové struktury metodou LMTO pro tranzitivní kovy: pásová struktura, hustota stavů, totální energie, struktury s vyšší energií, polymorfismus kovů. Výpočty elektronové struktury neuspořádaných slitin: aproximace koherentního potenciálu, příklady výsledků pro kubické a hexagonální slitiny. Výpočty elektronové struktury povrchů a rozhraní: principiální vrstva, povrchová Greenova funkce, příklady výsledků pro povrchy a hranice zrn v tranzitivních kovech. Magnetismus pevných látek: jeho původ, popis elektronových stavů, Heisenbergův a Stonerův model magnetismu. Přehled základních typů magnetického chování látek (dia-, para-, fero- a antiferomagnetismus). Magnetické vlastnosti kovových multivrstev: základní vlastnosti a použití kovových multivrstev, magnetická anizotropie, výměnné interakce mezi vrstvami (interlayer exchange coupling), gigantická magnetorezistence. Význam totální energie pro studium stability a mechanických vlastností materiálů: existence struktur s vyšší energií a polymorfismus, modelování konfigurace rozlehlých defektů, teoretická pevnost materiálů. Multiscale modelling: od elektronových a atomárních rozměrů přes mesoskopickou úroveň k mechanice kontinua. Příklad: křehký lom a šíření trhliny. Využití výpočtů elektronové struktury pro konstrukci fázových diagramů kovových systémů, metoda CALPHAD. Elektronová struktura a atomová konfigurace nanokrystalických materiálů. Příklad struktury nanokrystalického niklu. Úloha výpočtů elektronové struktury v současné fyzice a chemii pevných látek a v materiálovém výzkumu.
Literatura
  • ATKINS, P. W. Physical chemistry. 6th ed. Oxford: Oxford University Press, 1998, xvi, 1014. ISBN 0198501013. info
  • ATKINS, P. W. Fyzikálna chémia. 6. vyd. Bratislava: Slovenská technická univerzita v Bratislave, 1999, 308 s. ISBN 80-227-1238-8. info
  • Electronic structure and the properties of solids : the physics of the chemical bond : Elektronnaja struktura i svojstva tverdych tel : fizika chimičeskoj svjazi. T. 2. info
  • SPRINGBORG, Michael. Methods of electronic-structure calculations : from molecules to solids. Chichester: John Wiley & Sons, 2000, x, 501. ISBN 0471979767. info
  • SUTTON, Adrian P. Electronic structure of materials. Oxford: The Clarendon Press, 1993, xv, 260. ISBN 0198517548. info
  • HARRISON, Walter A. Electronic structure and the properties of solids :the physics of the chemical bond. 1st pub. New York: Dover Publications, 1989, xv, 586 s. ISBN 0-486-66021-4. info
  • FORESMAN, J B a A FRISCH. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods. Pittsburgh: Gaussian, Inc., 1996. info
  • Electronic structure and the properties of solids : the physics of the chemical bond (Orig.) : Elektronnaja struktura i svojstva tverdych tel : fizika chimičeskoj svjazi. T. 1. info
Výukové metody
Přednáška doprovázená konzultacemi, řešení specifických úloh vztahujících se k probíraným tématům.
Metody hodnocení
Předmět je zakončen ústní zkouškou. Během semestru je vyžadováno samostudium vybraných partií týkajících se elektronové struktury pevných látek. Povinnost navštěvovat výuku není stanovena.
Další komentáře
Předmět je vyučován každoročně.
Výuka probíhá každý týden.
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2019, jaro 2020, jaro 2021, jaro 2023, jaro 2024, jaro 2025.