F3200 Fyzika materiálů a tenkých vrstev

Přírodovědecká fakulta
podzim 2019
Rozsah
3/1/0. 3 kr. (plus ukončení). Ukončení: k.
Vyučující
doc. Mgr. Pavel Souček, Ph.D. (přednášející)
prof. Mgr. Petr Vašina, Ph.D. (přednášející)
Garance
prof. Mgr. Petr Vašina, Ph.D.
Ústav fyziky a technologií plazmatu – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. Mgr. Petr Vašina, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav fyziky a technologií plazmatu – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Út 8:00–9:50 F2 6/2012, Čt 13:00–14:50 Fs1 6/1017
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Cílem předmětu je poskytnout studentům základní poznatky z oblasti fyziky materiálů a tenkých vrstev. Jedná se o značně širokou problematiku, student se kromě fyzikálního popisu setká i základními partiemi z chemie a materiálové inženýrství. Student bude veden k tomu, aby popsal a pochopil vztahy mezi prvkovým složením, vnitřním uspořádáním tedy strukturou materiálu a jeho výslednými vlastnostmi. Seznámí se se základními fyzikálními veličinami, které materiál charakterizují a s moderními technikami, jak tyto veličiny měřit. Tyto techniky si také vyzkouší prakticky. Fyzikální popis reality bude hlavně využívat klasickou fyziku, jevy, které pro své vysvětlení potřebují znalost kvantové mechaniky budou zmíněny jen okrajově. Student se seznámí i se základními postupy, jak ze surovin, které jsou k dispozici v přírodě, vyrobit potřebný materiál a z něj pak výsledné funkční výrobky. Student se také seznámí s přípravou, charakterizací a praktickým využitím tenkých vrstev.
Výstupy z učení
Student bude po absolvování kurzu schopen mimo jiné odpovědět na následující otázky: Proč jsou keramiky tak křehké a kovy tak ohebné? Proč některé materiály vedou elektrický proud a jiné jsou dobrými izolanty? Proč je ocel výrazněji tvrdší a pevnější než železo? Jak je možné, že lidská kost je lehká a pevná zároveň. Z čeho vyrobit tepelný štít raketoplánu. Proč lodě svobody v Severním oceánu tak často praskaly? Jakými způsoby co nejtěsněji uspořádat atomy v kovu a bude to mít vliv na výsledné mechanické vlastnosti? Co způsobí, že časem wolframové vlákno v žárovce praskne? Existují rovnovážné podmínky pro současnou existenci pevné, kapalné a plynné fáze? Proč v Egyptě skláři přidávali do písku popel? Proč nerezová ocel nerezaví? Proč měnit povrchové vlastnosti materiálů? Jak jde připravit kovový nebo keramický materiál tloušťky jen několik nanometrů?
Osnova
  • 1. Atomy a periodická tabulka prvků. Atom v pevné látce, pásová struktura, elektrická vodivost.
  • 2. Tři typy vazeb – kovová, iontová, kovalentní a tři typy materiálů – kovy, keramiky, polymery. Síla vazby a teplota tání, koeficient teplotní roztažnosti, elastická deformace a modul pružnosti. Měrná tepelná kapacita. Typ vazby a struktura materiálu určuje výsledné vlastnosti. Keramiky a skla. Kompozity. Určení prvkového složení (EDX, RBS) a zastoupení chemických vazeb (XPS, FTIR, Raman) v materiálu.
  • 3. Uspořádanost. Tři nejběžnější typy mřížek kovů, tři nejběžnější mřížky keramik. Pozice, směry a roviny v krystalu. Určení krystalové fáze - rentgenová difrakce.
  • 4. Nedokonalosti a chyby v krystalové struktuře – tuhý roztok, bodové defekty (vakance a intersticiály) a difúze, lineární defekty (dislokace) a plastická deformace, skluzové roviny. Čtyři způsoby zpevnění materiálu.
  • 5. Fázové diagramy s jednou a dvěma komponentami, fázové přechody, speciální případ - eutektická mikrostruktura. Termodynamika a kinetika fázových přechodů. Gibbsova energie. Nukleace v objemu a na stěně.
  • 6. Mechanické vlastnosti materiálů. Diagram napětí – prodloužení, tuhost, mez skluzu, pevnost v tahu, tažnost. Tečení materiálu. Přechod od houževnatého do křehkého stavu. Lomová houževnatost, koncept kritické trhliny. Tvrdost a indentační zkouška.
  • 7. Tenké vrstvy – příklady použití, příprava tenké vrstvy (5 kroků k cíli), depozice z kapalné fáze – úvod do elektrochemie, galvanické pokovování, galvanický článek. Fyzikální depozice z plynné fáze – magnetronové naprašování.
Literatura
  • D. Depla et al Reactive sputter depositon, Springer Series in Material Science 109 2008
Výukové metody
Kurz je založen především na přednáškách, které studenty seznamují s celou problematikou. Koncem semestru probíhá blokově laboratorní cvičení.
Metody hodnocení
ústní rozprava individuálně s každým studentem
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován každoročně.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2020, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024.