Detail předmětu

Základy nanověd

FSI-TZNAk. rok: 2023/2024

Předmět podává výklad základních principů nanověd s ohledem na osvětlení jejich významu pro další rozvoj nanotechnologií a souvisejících oblastí. Hlavní úsilí se zaměří na popis změn elektronové struktury spojené s kvantověmechanickým zachycením elektronů v nanostrukturách a kvantových jevů doprovázejících transportní vlastnosti nanostruktur. Budou rovněž diskutovány důsledky většího relativního počtu povrchových atomů nanočástic (ve srovnání s objemovými materiály) na chemickou reaktivitu a katalytické účinky a tepelné vlastnosti nanočástic. Souběžně budou uváděny příklady aplikací těchto kvalitativně nových jevů spadajících zejména do oblasti elektroniky a spintroniky, optoelektroniky, jakož i sensoriky a medicíny.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

4

Garant předmětu

doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikálního inženýrství (ÚFI)

Vstupní znalosti

Základy atomové a kvantové fyziky. Pro tento předmět je prerekvizitou předmět TF4 (Moderní fyzika).

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Hodnocení studenta bude zohledňovat jeho práci ve cvičení a výsledky diskuze nad zadanými tématy při zkoušce (k přípravě povoleny poznámky z přednášek).
Přítomnost na cvičení je povinná a je sledována vyučujícím. Způsob nahrazení zmeškané výuky ve cvičení bude stanovena vyučujícím na základě rozsahu a obsahu zmeškané výuky.





Učební cíle

Cílem je poskytnout přehled o kvalitativně nových jevech probíhajících v nanostrukturách a demonstrovat jejich využití v moderních oblastech vědy a techniky.
Studenti získají přehled o aktuálním stavu interdisciplinárního oboru nanověd a budou mít i snazší orientaci při výběru vlastní práce (diplomové či doktorské).

Základní literatura

Ch. Kittel: Introduction to Solid State Physics. 8th ed. Wiley, 2005 (EN)
J. H. DAVIES: The Physics Of Low-Dimensional Semiconductors: An_Introduction. Cambridge University Press, 1998 (EN)
KITTEL, C: Úvod do fyziky pevných látek 1997 (CS)
P. HARRISON: Quantum Wells, Wires and Dots: Theoretical and Computational Physics. John Wiley and Sons, London 2000. (EN)

Doporučená literatura

J. H. DAVIES: The Physics Of Low-Dimensional Semiconductors: An_Introduction. Cambridge University Press, 1998 (EN)
J. SPOUSTA: Základy nanověd. Elektronický studijní text, Brno, 2014. (CS)
P. A. TIPLER, R. A. LLEWELLYN: Modern Physics. (4th edition.) W. H. Freeman and Company, New York 2003. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program B-FIN-P bakalářský 3 ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D.

Osnova

Lekce I – Základy kvantové mechaniky – přehled nutných znalostí
Popis stavu mikročástice a Schrödingerova rovnice. Formalismus kvantové mechaniky. Diracova symbolika
Lekce II – O jednorozměrných potenciálech
Potenciálová bariéra. Tunelový jev. Koeficient průchodu částice potenciálovou bariérou. Pravoúhlá potenciálová jáma. Vázané stavy. Potenciálová bariéra obecného tvaru. Rozptylové, vázané a metastabilní stavy. Dvojitá potenciálová bariéra – část I (Diracova symbolika). Dvojitá potenciálová bariéra – část II: Časový vývoj stavu. Parabolická potenciálová jáma (harmonický oscilátor). Částice v trojrozměrné krabici. Degenerace. Částice v nekonečně tuhé krabici – rozšíření o úvod do hustoty stavů. Částice v periodickém potenciálovém poli. Energiové pásy. Částice v periodickém potenciálovém poli – rozšíření o úvod do hustoty stavů
Lekce III – Kvantové jámy a nízkodimenzionální systémy
Nízko-dimenzionální systémy. Zaplnění pásů. Dvou- a tří- dimenzionální kvantové jámy.
Lekce IV – Tunelování
T- matice popisující koeficient odrazu a průchodu..Rezonanční tunelování. Supermřížky a minipásy. Mnohakanálový koherentní transport nosičů
Lekce V – Kvantové nanodráty a kvantové tečky
Nanodrát pravoúhlého průřezu. Nanodrát kruhového průřezu. Sférické a pyramidální kvantové tečky
Lekce VI – Numerické simulace – řešení Schrödingerovy rovnice u 3D, 2D, 1D nanostruktur
Metoda náhodné střelby (Shooting method). Metoda obecných počátečních podmínek
Rozšiřující materiály k doplnění studia kvantového popisu nanostruktur

Cvičení

10 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D.

Osnova

1. téma: Řešení Schrödingerovy rovnice v různých situacích
2. téma: Potenciálový schod a bariéra
3. téma: Určení T-matice potenciálového schodu
4. téma: Kvantová vodivost
5. téma: Určení hustoty stavů v 1D, 2D a 3D kvantově-mechanických systémech

Cvičení s počítačovou podporou

3 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D.

Osnova

Viz cvičení.