Introduction to Solid State Physics - 110 Academic Year

固態物理導論 - 110學年度

本課程是由 國立陽明交通大學照明與能源光電研究所 提供。

1.正確理解主要幾個能帶理論,並能夠應用在其他相關學科的理解上。

2.對於課本上所提及的幾個重要的物理概念,能夠找到相對應的實驗理解其架構。

3.強化同學們數學推導的基礎能力,尤其要求在推導的過程中有清晰的物理圖像。


課程用書:

B. C. Kuo and F. Golnaraghi, Automatic Control Systems, 9/e, John Wiley & Sons, Inc., 2010

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授課教師 照明與能源光電研究所 簡靖航老師
課程學分 3學分
授課年度 110學年度
授課對象 研究所
預備知識 基礎量子力學、電磁學
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週次課程內容課程影音課程下載
晶體結構線上觀看MP4下載
傅立葉轉換與倒晶格 (一)線上觀看MP4下載
傅立葉轉換與倒晶格 (二)線上觀看MP4下載
化學鍵線上觀看MP4下載
聲子晶體振動線上觀看MP4下載
期中複習線上觀看MP4下載
自由電子費米氣體線上觀看MP4下載
能帶線上觀看MP4下載
緊束縛近似線上觀看MP4下載
準粒子 , 電漿子 , 電磁極化子 , 極子線上觀看MP4下載
克拉莫-克若尼關係式線上觀看MP4下載
橢圓偏振技術線上觀看MP4下載

課程目標

1.正確理解主要幾個能帶理論,並能夠應用在其他相關學科的理解上。

2.對於課本上所提及的幾個重要的物理概念,能夠找到相對應的實驗理解其架構。

3.強化同學們數學推導的基礎能力,尤其要求在推導的過程中有清晰的物理圖像。

 

課程章節

單元主題 內容綱要
傅立葉轉換與倒晶格「倒晶格即是實空間晶格的傅利葉轉換」這句話幾乎總結了這階段課程的核心,然而僅僅只是知道傅立葉轉換跟晶格是不夠的,在實空間中的平移不變在倒晶格空間也會成立,跳脫數學語言同學是否能找到實際的例子與之對應?
量子井與化學鍵 所有的化學鍵都可以視為是一個平衡態,亦即處於局部位能的最低點。另外化學鍵也代表電子軌域的耦合,在這個部分會先複習同學們對量子力學解位能井的背景知識,然後也會帶入電磁學中「偶極」(dipole)的概念,並講解化學家與物理學家對於鍵結這個概念的差別如何殊途同歸。
聲子與熱容 備齊所有相關知識,聲子往往做為固態物理學第一個接觸的虛粒子,這是因為它有較簡化的數學語言可以描述,但卻也往往是學生相較於電子和光子更為陌生的物理概念。在這個課程中會強調數學與物理觀念之對應,像是如何分辨群速度與相速度等等,這裡也會得到第一個虛粒子的色散關係,並且透過初步的統計力學得到熱容並與實驗相對應。
微擾論與能帶理論看似非常數學樣態的微擾論,其實是物理學家在理解多數複雜物理現象的重要工具,除了能夠正確分辨何為未微擾與微擾漢密頓函數之外,怎樣的量級能夠滿足微擾論也是一個重要的問題。在複習過微擾論的前提之下,先以近似自由電子模型和經典的克勒尼希-彭尼(Kronig-Penny)模型寫下第一個關於電子的能帶理論,哪些固態材料符合克勒尼希-彭尼模型?並利用該模型理解晶格如何造成能隙。
緊束縛近似能帶理論緊束縛近似能帶理論(Tight-binding model)是半導體最廣泛被應用之能帶理論之一,雖然由於計算機的進步更多的能帶理論被發明而有更高的精確度,然而緊束縛近似能帶理論提供了非常清晰的物理圖像,物理學家使用其架構去描述原子軌域如何形成相對應之能帶,到這裡對於能帶的理論算是有一定的基礎了,在此之後會儘可能補充如何在有這些能帶理論的概念之下去重新檢視半導體元件等相關應用領域的物理知識。
激子與極化子之光學性質 激子與極化子做為光電轉換最重要的虛粒子概念,並且對於激子的理解合併克拉莫-克若尼關係式(Kramers–Kronig relations) 便可得到基本的介電常數與折射率的數學模型,在此補充課程裡亦會提及自由電子假設下的德汝德模型和電漿波理論,最後再以橢偏儀和相關之光學實驗給學生們更多與實務相結合之知識。
了解問題學習動機探討適合物聯網以及行動應用的輕量級加解密模組, 講解物聯網的限制與及公開/私密金鑰的系統搭配
晶格晶體學可以說是固態物理的基礎,這意味著固態物理的假設都是在周期性結構具有平移不變的前提下探討其物理現象,那麼這個假設的成立條件是在怎樣的尺度才成立?並且物理學家用怎樣的數學語言去描述這個週期性?對於晶格的正確理解能幫助大家從圖像就能理解物理現象。

 

課程書目

Introduction to Solid State Physics. 作者 charles Kittel 出版社 Wiley 出版年2004. 11.

 

評分標準

項目百分比
出席20%
期中考40%
期末報告40%

本課程行事曆提供課程進度與考試資訊參考。

學期週次
上課日期
參考課程進度

第一週

2/16(三)
  • 校慶活動日
第二週2/23(三)
  • 晶格
第三週3/2(三)
  • 傅立葉轉換與倒晶格
第四週3/9(三)
  • 傅立葉轉換與倒晶格
第五週3/16(三)
  • 量子井與化學鍵
第六週3/23(三)
  • 量子井與化學鍵
第七週3/30(三)
  • 聲子與熱容
第八週4/6(三)
  • 清明連假
第九週4/13(三)
  • 期中考週
第十週4/20(三)
  • 聲子與熱容
第十一週4/27(三)
  • 微擾論與能帶理論  
第十二週5/4(三)
  • 微擾論與能帶理論
第十三週5/11(三)
  • 緊束縛近似能帶理論
第十四週5/18(三)
  • 緊束縛近似能帶理論
第十五週5/25(三)
  • 激子與極化子之光學性質
第十六週6/1(三)
  • 激子與極化子之光學性質;期末考週
第十七週6/15(三)
  • (6/6~6/17彈性補充教學)

課程作業 Course Homework

內容 下載連結
Ch06_Mid Term-RevisionPDF