Кристаллохимия полупроводников

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Томский государственный университет
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ:
Декан физического факультета
_________________ В.М. Кузнецов
"_____"__________________2012 г.
Рабочая программа дисциплины
КРИСТАЛЛОХИМИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Направление подготовки
011200 «Физика»
Профиль подготовки
Физика конденсированного состояния вещества
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
Очная
Статус дисциплины:
профессиональный цикл
дисциплина по выбору студента
Томск-2012 г.
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Кристаллохимия полупроводников» являются
приобретение студентами базовых знаний о структуре кристалла и структурном типе
кристалла, структуре элементарных кристаллов и кристаллов химических соединений,
структуре веществ с различным типом химической связи, принципах кристаллохимической
классификации материалов, формирование у студентов представления о взаимосвязи
структуры и свойств материалов с типом химической связи, формирование навыков
описания моделей структуры кристаллов.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Кристаллохимия» относится к профессиональному циклу (дисциплины
по выбору студента), модуль «Физика конденсированного состояния вещества». В ней
предполагается знакомство студентов со структурой элементарных кристаллов и кристаллов
химических соединений, структурой веществ с различным типом химической связи,
излагаются основные понятия о структуре кристалла и структурном типе кристалла,
принципах кристаллохимической классификации материалов, взаимосвязи структуры и
свойств материалов с типом химической связи.
Для успешного освоения дисциплины обучающимся необходимы знания следующих
курсов:



общей физики
кристаллографии
рентгено-структурного анализа
Дисциплина формирует знания, умения и навыки, необходимые для последующего овладения
материалами курсов «Физика полупроводников», «Полупроводниковое материаловедение».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование и развитие следующих
общекультурных и профессиональных компетенций: способности использовать в
познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и
естественных наук (ОК-1); способности использовать базовые теоретические знания для
решения профессиональных задач (ПК-1); способности использовать специализированные
знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-4); способности применять на практике базовые
общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований (в соответствии
с профилем подготовки) (ПК-5); способности понимать и излагать получаемую информацию
и представлять результаты физических исследований (ПК-10).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать:
 понятия о структуре кристалла и структурном типе кристалла;
 структуры элементарных кристаллов и кристаллов химических соединений;
 типы химической связи
 взаимосвязь структуры и свойств материалов с типом химической связи;
 понятие о плотнейшей шаровой упаковке
 периодическую систему химических элементов
 принципы кристаллохимической классификации материалов;
 кристаллические структуры основных полупроводниковых материалов.
 изображение структур с помощью координационных многогранников
уметь:
 определять тип кристаллической структуры кристаллов разных сингоний;
 находить координационные числа;
 определять симметрию плотнейших шаровых упаковок
владеть:


знаниями о структуре элементарных кристаллов и кристаллов химических
соединений;
методами и способами определения типа кристаллической структуры кристаллов
разных сингоний.
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет __2__ зачетные единицы, ___72__ часа.
№
п/п
Раздел
Дисциплины
Семе
стр
Неде
ля
семес
т-ра
Виды учебной работы, включая
самостоятельную работу студентов и
трудоемкость (в часах)
Лекци Практ
и
занят
ия
Семи
нарск
ие
занят
ия
Сам.
работ
а
Всего
Формы
текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Структура
кристаллов
Координационное
число
и
координационный
многогранник.
Теория
плотнейших
шаровых упаковок
Описание моделей
структуры
кристаллов
Кристаллохимичес
кая классификация
материалов
7
1-2
2
2
6
10
7
3-4
2
2
6
10
7
5-6
2
2
6
10
практическое
задание*
7
7-8
2
2
4
8
практическое
задание*
7
9
2
8
10
Устный
опрос*
6
Химическая связь в
твердых телах
7
10-11
4
6
10
Устный
опрос*
7
Атомные, ионные,
ковалентные
7
12
2
2
Устный
опрос*
1
2
3
4
5
практическое
задание*
практическое
задание*
радиусы.
8
Промежуточные
7
13
2
2
Устный
типы связи.
опрос*
9
Энергия решётки в
7
14-15
2
2
2
6
Доклад на
кристаллах.
семинаре*
10 Поляризуемость и
7
16
2
2
Устный
поляризация.
опрос*
11 Изоморфизм
и
7
17
2
2
Реферат*
полиморфизм
в
кристаллах.
Всего
72
Зачёт *
* - зачетные единицы присваиваются после успешного выполнения всех практических
заданий, доклада на семинаре, написания реферата и сдачи экзамена.
4.1. Содержание дисциплины
№ Наименование
п/п раздела дисциплины
1 Структура
кристаллов
2 Координационное
число
и
координационный
многогранник.
3 Теория плотнейших
шаровых упаковок
4 Описание моделей
структуры
кристаллов
5 Кристаллохимическа
я классификация
материалов
6 Химическая связь в
твердых телах
7 Атомные,
ионные,
Содержание раздела дисциплины
Структура кристалла и структурный тип. Параметры решёток
Бравэ. Структура меди. Структура α-Fe. Структура Mg. Структура
алмаза. Структура графита. Простейшие структуры соединений
типа АХ. Структура NaCl, CsCl, Структура ZnS. Структура
сфалерита, вюртцита. Структура никелина NiAs. Структура BN.
Структура соединений АХ2. Структура CaF2.
Понятие координационного числа и координационного
многогранника. Классификация структур по координационным
числам. Изображение структур с помощью координационных
многогранников.
Теория плотнейших шаровых упаковок. Гексагональная и
кубическая плотнейшие шаровые упаковки. Пустоты плотнейших
шаровых упаковок. Многослойные упаковки. Обозначения
плотнейших шаровых упаковок. Симметрия шаровых упаковок.
Теория плотнейших шаровых упаковок в кристаллохимии.
Порядок записи при изучении моделей кристаллографических
структур. Описание структуры сфалерита ZnS, NiAs, NaCl, Сu, Mg,
CaF2, CsCl, α-Fe, алмаза
Принципы кристаллохимической классификации материалов.
Характерные типы кристаллических решёток полупроводников.
Факторы, определяющие структуру кристаллов. Формы записи
классов полупроводниковых материалов.
Периодическая система химических элементов и строение атомов.
Химическая связь в твердых телах. Основные типы химической
связи. Структура простых веществ с ковалентными связями.
Гибридизация связей. Ковалентно-ионная (дативная) связь.
Кристаллические структуры сложных соединений с ковалентной
связью Металлическая связь. Ван-дер-ваальсова (молекулярная)
связь. Водородная связь. Гетеродесмические и гомодесмические
структуры.
Атомные (металлические) радиусы. Ионные радиусы химических
ковалентные
радиусы.
8 Промежуточные
типы связи.
элементов. Ковалентные радиусы. Ван-дер-ваальсовы радиусы.
9 Энергия решётки в
кристаллах.
10 Поляризуемость
поляризация.
11 Изоморфизм
полиморфизм
кристаллах.
и
и
в
Ионно-ковалентные связи. Электроотрицательность. Ковалентнометаллические связи. Полупроводники. Ионно-металлические
связи.
Квантово-механические теории химической связи. Единый подход
к кристаллам с разными типами связей. Энергетический спектр
электронов в кристаллах. Энергия решётки в ионных кристаллах.
Энергетический спектр в кристаллах с металлической и
ковалентной связью. Энергия решётки в металлических
кристаллах. Энергия решётки в кристаллах с Ван-дер-ваальсовой
связью.
Поляризуемость и поляризация. Поляризация и ограничения
ионной связи. Дисперсионные силы.
Дорентгеновские работы по изоморфизму. Рентгеноструктурные
исследования изоморфных веществ. Условия, необходимые для
проявления
изоморфизма.
Изоморфизм
с
заполнением
пространства. Изовалентный и гетеровалентный изоморфизм.
Дорентгеновские работы по полиморфизму. Структурная
классификация типов полиморфизма. Предел изоморфной
заместимости. Морфотропия и полиморфизм. Влияние изотопного
состава на кристаллическую структуру.
5. Образовательные технологии
В ходе изучения дисциплины применяются следующие образовательные технологии:
 Лекции с использованием мультимедийных презентаций.
 Практические
занятия,
предусматривающие
выполнение
студентами
индивидуальных и групповых заданий.
 Устные опросы, семинарские занятия и выполнение практических работ для
организации промежуточного контроля знаний студентов.
 Внеаудиторная самостоятельная работа студентов по поиску, анализу и обработке
информации, по представлению результатов практических заданий в устной и
письменной форме.
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, итоговой аттестации по
итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной
работы студентов
Темы практических заданий:
1. Определение типа и параметров решёток Бравэ для различных структур.
2. Определение координационных чисел и координационных многогранников в
различных структурах.
3. Описание структуры и составление таблиц для ZnS, NiAs, NaCl, Сu, Mg, CaF2, CsCl,
α-Fe, алмаза.
4. Обозначение плотнейших шаровых упаковок.
5. Определение симметрии плотнейших шаровых упаковок.
6. Формы записи классов полупроводниковых материалов.
7. Определение атомных радиусов металлических кристаллов.
Темы семинарских занятий:
1. Квантово-механические теории химической связи.
2. Единый подход к кристаллам с разными типами связей.
3. Энергетический спектр электронов в кристаллах.
4. Энергия решётки в ионных кристаллах.
5. Энергетический спектр в кристаллах с металлической и ковалентной связью.
6. Энергия решётки в металлических кристаллах.
7. Энергия решётки в кристаллах с Ван-дер-ваальсовой связью.
Темы для рефератов:
1. Изоморфизм с заполнением пространства.
2. Изовалентный и гетеровалентный изоморфизм.
3. Морфотропия и полиморфизм.
4. Структурная классификация типов полиморфизма.
Самостоятельная работа студентов по темам дисциплины заключается в изучении
предложенной лектором научной и учебной литературы и подготовке докладов на семинаре
и рефератов.
Контрольные вопросы:
1. Структура кристалла и структурный тип.
2. Структура меди.
3. Структура α-Fe.
4. Структура Mg.
5. Структура алмаза.
6. Структура графита.
7. Структура NaCl, CsCl, ZnS.
8. Структура никелина NiAs.
9. Структура BN.
10. Структура соединений АХ2. Структура CaF2.
11. Структура элементарных полупроводников.
12. Структура полупроводниковых соединений А3В5, А2В6, А2В4С52.
13. Понятие координационного числа и координационного многогранника.
14. Классификация структур по координационным числам.
15. Изображение структур с помощью координационных многогранников.
16. Гексагональная и кубическая плотнейшие шаровые упаковки.
17. Пустоты плотнейших шаровых упаковок.
18. Многослойные упаковки.
19. Теория плотнейших шаровых упаковок в кристаллохимии.
20. Порядок записи при изучении моделей кристаллографических структур.
21. Описание структуры сфалерита ZnS, NiAs, NaCl, Сu, Mg, CaF2, CsCl, α-Fe, алмаза.
22. Принципы кристаллохимической классификации материалов.
23. Характерные типы кристаллических решёток полупроводников.
24. Химическая связь в твердых телах.
25. Основные типы химической связи.
26. Структура простых веществ с ковалентными связями.
27. Гибридизация связей.
28. Ковалентно-ионная связь.
29. Кристаллические структуры сложных соединений с ковалентной связью.
30. Металлическая связь. Ван-дер-ваальсова (молекулярная) связь. Водородная связь.
31. Гетеродесмические и гомодесмические структуры.
32. Атомные, ионные, ковалентные, Ван-дер-ваальсовы радиусы химических элементов.
33. Промежуточные типы связи.
34. Поляризуемость и поляризация.
35. Поляризация и ограничения ионной связи.
36. Дисперсионные силы.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. – М.:
Высшая школа, 1982.
2. Бокий Г.Б. Кристаллохимия. - М.: Наука, 1971.
3. Лаврентьева Л.Г. Периодическая система элементов. – Томск: Изд-во ТГУ, 2003.
4. Лаврентьева Л.Г. Элементы кристаллохимии и основы кристаллохимической
классификации материалов. – Томск: Изд-во ТГУ, 1987.
1.
2.
3.
4.
б) дополнительная литература:
Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кристаллография. - М.: Высшая. школа, 1964.
Медведев С.А. Введение в технологию полупроводниковых материалов. – М.: ВШ, 1970.
- 504с.
Сиротин Ю. И., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики. – М.: Наука, 1979.
Лаврентьева Л.Г. Основные физико-химические свойства сложных полупроводников. –
Томск: Изд-во ТГУ, 1987.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Часть
учебных
занятий
презентационного оборудования.
проходит
с
использованием
мультимедийного
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и
ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.
Автор (ы) доцент Бобровникова Ирина Анатольевна
Рецензент (ы) _________________________
Программа одобрена на заседании ____________________________________________
(Наименование уполномоченного органа вуза (УМК, НМС, Ученый совет)
от ___________ года, протокол № ________.