Materialfysik 2007 - kursplan

Preliminär innehållsförteckning

1. Introduktion (1a)
   • Motivering: varför en fysiker vill veta detta
   • Exempel: indentering => nanoindentering => PRL
   • Material vs. material: klassisk metallurgi -> biomaterial
2. Materials bindning (1b)
   • Enskilda atomers elektronstruktur
   • Bindningstyper mellan atomer (1b, 2a)
3. Materials struktur
   • Allmänt om kristallstrukturer (3a reorganiserat)
     • Allmänt om kristallstrukturer
     • Millerindex mm.
     • Polymorfism, allotropi, anisotropi
     • polykristallinitet, amorfa ämnen
   • Metaller och metallegeringars strukturer (3a)
   • Kovalent bundna keramers struktur (3a)
   • Joniskt budna keramers struktur (4a)
     • Jonradier, polyeder-principen, jonisationstal vs. koordinationstalet
     • ... och hur dessa leder till vissa kristallstrukturer
     • Salter, perovskiter, kiseloxider, glas (4a, 5a)
   • Nanomaterials struktur
     • Kolnanorör; (m,n)-notationen
     • Nanoklustrar
   • Punktdefekter i kristaller (5b-6a)
     • Allmändefektklassificering: punkt, linje, area, volymdefekter (dislokationer i detalj senare)
     • Punktdefekters termodynamik
     • Punktdefekter i joniska material: strukturer, termodynamik, färgcentra
     • Luminescens för att karakterisera punktdefekter
   • Polymerers struktur (6b)
     • Definitioner: poly och mer, linjära vs. förgrenade
     • Crosslinking, nätverkspolymerer
     • isomerism
     • kopolymerer (se också Ikkala NanoI)
     • Kristallina polymerer
     • Kristall, gel, vätska (6b sid 26)
   • Kompositer (7a)
     • Definition, principen av kombinerad verkan
     • klassificering: matris vs. dispers fas, mm
     • Betong och cement, förstärkt cement
     • fiber-förstärkta kompositer (7a, 7b): fiberfas, matrisfas, whiskers, kolfiberkomp, metal-matris-komp., keram-matris-komp., laminära strukturer
   • Biomaterial (7c, se också NanoI+III)
     • Aminosyror och proteiner
     • Sekundär struktur: alpha helix, beta sheet, ...
     • Tertiär strukur: vätebindningar, protein folding
     • Syntetiska polymerer
     • Socker
     • Lipider och fosfolipider
     • Nukleotider: DNA, RNA, gener
     • Användningen av DNA för att bygga strukturer (se NanoX)
4. Kondenserade fasers termodynamik
   • Fasdiagram (8a, 8b)
     • Enthalphi, entropi, fri energi, kemisk potential
     • Fas: definition, exempel
     • Drivkraftern för fasförändringar: G(T)
     • Gibbs fasregel
     • En-fas-diagram: P,T-diagram
     • Clausius-Clapeyron
     • Fas(dynamisk) jämvikt
     • Binära fasdiagram: hävstångsregeln, liquidus och solidus
     • G(T) och fasdiagram: tangent-konstruktionen mm. (8b)
     • Eutektiska (9a), isomorfa, ...
     • Löslighet, löslighetsgap
     • Olika trefastransformationer (8b s. 30)
     • Flerfasdiagram (9a s 15)
     • Intermetalliska transitioner
     • Eutektoida och peritektoida reaktioner
   • Utvecklingen av mikrostruktur
     • Allt ovan gäller för oändligt stora faser!
     • Nukleation och tillväxt (8a)
     • Gränsnittsenergins roll (10a)
     • Ickejämviktskylning (8b s 48)
     • Segregering
     • Utvecklingen av mikrostruktur i lösliga legeringar (8b)
     • Utvecklingen av mikrostruktur i eutektiska fasdiagram (9a)
     • Hävstångsregeln för bestämning av mikrostruktur
   • Viktiga exempel
     • Fe-C: cementit, ferrit, austenit, pearlit (9a)
     • Fe-Cr (9a slut)
   • Keramiska fasdiagram
     • Enkla: t.ex. Al203 - Cr203
     • Komplexa: t.ex. SiO2 - Al2O3
     • Exempel
   • Ternära fasdiagram
   • Polymerers termodynamik (10a)
   • Kompositers termodynamik
5. Kinetik (12a)
   • Definition
   • "Law of mass action"
   • Aktiverade processer, Arrhenius-beteende
   • Kinetik av nukleation och tillväxt
   • Martensitiska transitioner
   • Korrosion (rostning), degradering (12 a, lite kortare)
     • galvanisk, intergranulär mm. former (12 s. 53-)
     • Oxidationsrater
   • Kinetik i keramer och glas (13a)
     • "Spinodal transformations"
     • Nukleation och tillväxt
     • Heterogen och homogen nukleation
   • Kinetik i polymerer (13b)
     • Polymerisering
     • Degradering: termisk, "swelling", "dissolution", "scission", bestrålningsinducerad,
   • Kinetik av CVD (13b, skippa??)
   • Kinetik av biomaterial (13b, skippa??)
6. Transportprocesser (14a)
   • Definitioner: flöde, diffusivitet, Fouriers lag, Ficks I lag
   • Viskositet
     • Gasviskositet => vätskeviskositet
     • Arrheniusbeteende
     • Viskositet i glas (definitionen på fast ämne)
     • Polymerer
   • Värmetransport (14a)
     • Konduktion, konvektion, bestrålning
     • Molekylära mekanismer: atomrörelse i vätskor
     • Värmetransport i fasta ämnen: fononer vs. elektroner
     • Biomaterial: vatten, fett, fast (s. 36)
   • Masstransport (14b)
     • Diffusion
     • Molekylära grunder
     • Vätskor
     • Fasta ämnen: gränsnittsdiffusion, defekters roll, Kirkendall-effekter
     • Diffusion av gaser genom fasta ämnen
     • Steady state vs. non-steady
     • Ficks I & II lag
     • Sambandet mellan diffusionkoefficienten och vakanskoncentration
     • Masstransport i keramer och glas
     • Diffusion i polymerlösningar
     • Diffusion i biologiska material
7. Fasta ämnens mekanik
   • Elasticitet (15a, notera sid. 22-24, 30-32 kan flyttas tidigare)
     • Hookes lag, samband med atomnivå
     • Youngs modul, Poissons förhållande
     • Klassisk elasticitetteori (från FTF-anteckningarna)
     • Isotropiska vs. anisotropiska material
     • "Stress" and "strain": spänning vs. spänning
     • Utdragningstest,
     • Intryckningstest
     • Skjuvning, torsion
     • Icke-elastiska material (s. 25)
     • Tidsberoende elasticitet (anelasticitet)
   • Plasticitet (15b)
     • "yield strength", "yield point"
     • "tensile strength"
     • ingenjörspänning vs. verklig spänning
     • Sköra vs. duktila material
     • "Resilience", "Toughness"
     • "Elastic recovery"
     • Hårdhet, indentering, nanoindentering
     • "Design stress", "safe stress"
   • Dislokationer (16a)
     • Allmänt, kort historia
     • "edge" vs. skruv
     • Glid
     • Stackningsfel: fcc, diamant, partiella dislokationer
     • SFT's i metaller
     • Dislokationsdensitet
     • Elastisk växelverkan
     • Exempel: växelverkan mellan dislokation och SFT (skaffa datoranimation)
     • Glidsystem
     • Hur glid leder till plastisk deformation
   • Korngränser (egen kännedom)
     • Relation till dislokationer
     • Exempel på struktur: "twin", tilt, twist, etc.
   • Förstärkning ("strengthening") och dislokationer
     • Kornstorlek: Hall-Petch-förhållandet (se även färsk PRL)
     • "Strain hardening", "cold working"
     • Recovery, rekristallisation, korntillväxt
   • Hur metaller går sönder (17a)
     • Fraktur: duktil och skör
     • Korngränsers roll
     • frakturmekanik, spänningskoncentration
     • Griffiths teori
     • Spänningsanalys
     • "Fracture toughness"
     • "ductile-to-brittle transition"
     • Materialtrötthet ("fatigue") (17b)
     • "Crack initiation & propagation"
     • "Shot peening", "Case hardening"
     • termisk trötthet
     • "creep"
   • Hur keramer går sönder (18a)
     • Keramers skörhet, "fracture"
     • Böjningstest
     • Varför keramer söndras lätt: dislokationers ickerörlighet
     • Kristallina vs. ickekristallina kermaer
     • Viskositet, porositet
   • Polymerers mekaniska egenskaper (18b)
     • Inverkan av deformationshastighet, kristallinitet
     • Termoplastiska och termohärdnande polymerer
     • Viskoelasticitet
     • Maxwells och Kelvin-Voigts modeller
     • Elastomerer; vulkanisering av gummi
   • Kompositers mekaniska egenskaper (18c)
     • Fiberförstärkta kompositer
     • Longitudinell vs. transversell tensil styrka
     • Inklusioners inverkan på frakturegenskaper
     • Bindningen mellan fiber och matris
   • Biomaterials mekaniska egenskaper (18c)
     • Levande material: hud, ben (inverkan av hastighet)
     • Ickelevande material: tyger
   • Nanomaterials mekaniska egenskaper (NanoII min föreläsning)
8. Materials elektriska egenskaper
   • Elledning (20a, se också 22a)
     • Ohms lag, strömtäthet mm.
     • Ledare, halvledare, halvmetallet, isolatorer
     • Elektronisk vs. jonisk elledning
     • Energiband, energigap
     • Sommerfeld-modellen för elledning (fria elektroner+Fermi)
     • Orenheters och temperaturens inverkan
     • Supraledning: Cooperpar, BCS-teorin
     • Oxidsupraledare (från 21a s. 95-)
     • Supraledande elektromagneter
   • Halvledare (20a,20b)
     • Bindningstyper: sp3-hybridisering
     • Hur energigapet bildas
     • Direkta och indirekta gaps halvledare
     • Elektroner och hål
     • Intrinsiska halvledare
     • Extrinsiska halvledare, n-typ, p-typ, orenheter, donorer, acceptorer
     • Hall-effekten
   • Kolnanorörs elektriska egenskaper (22a, Arkadys NanoII lecture)
   • Halvledarkomponenter (21a)
     • Dioder, kontaktpotential
     • Interna fält, diodekvationen
     • Metall-halvledargränsnitt
     • pnp-transistorn
     • MOSFET-transistorn
     • Integrerade kretsar, Moores lag
   • Elledning i joniska keramer och polymerer (21a)
     • Elektronisk och jonisk ledning
     • Ledande polymerer (se även 22a s. 25-)
   • Dielektriska material (21a, se även 22a)
     • Kapacitans, dielektrisk konstant
     • Polarisation, ytans roll
     • Elektriska egenskaper, polarisationens frekvensberoende
     • Ferroelektriska material, antiferroelektriska
     • Pyroelektriska material (22 a s. 97)
     • Piezoelektriska material
     • Dielektriska polymerer
   • Biologiska material (21a)
     • Bioelektroder, biosensorer
     • Jonkanaler (22a)
9. Magnetiska egenskaper (23a)
   • Lite repetition av elektromagnetism
   • Diamagnetism
   • Paramagnetism
   • Ferromagnetism, antiferromagnetism, ferrimagnetism
   • Koercivitet, hårds vs. mjuka magneter
   • Magnetism och supraledare:
   • Magnetiska minnen
   • Magnetoresistans, GMR, CMR,
10. Optiska egenskaper (24a)
    • Lite repetition av optik och elektromagnetiska vågor
    • Birefringens
    • Optiska egenskaper vs. bandstruktur
      • Färg (24a s. 36)
    • Fotokonduktivitet, fotoledare och kopieringsmaskiner
    • Fosforer
    • Optiska egenskaper hos metaller
    • LED'ar, solceller
    • Optiska fibrer
    • Solarium, växthuseffekt mm.
    • Lasrar
      • Allmän princip
      • Halvledarlasrar
      • Kvantbrunnar, DBR, SESAM
    • LCD
    • Nanomaterials optiska egenskaper
      • Rayleigh-spridning
      • Ytplasmoner
    • Fotoniska kristaller
      • I naturen: fjärilar, opal
      • 1D, 2D, 3D
      • Analogin med halvledarbandgap
      • Defekter i halvledargap, fotoniska vågledare ("waveguides")
    • Metamaterial: 'omöjliga' egenskaper...
      • Negativa refraktionsindex
      • Osynlighet