МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверской государственный университет»

УТВЕРЖДАЮ

Руководитель ООП подготовки

магистров

д.ф.-м.н., проф. Пастушенков Ю.Г.

2012 г.

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физика сегнетоэлектрических явлений»

Направление 011200.68-Физика Специализированная программа подготовки магистров Физика магнитных явлений, Физика конденсированного состояния вещества, Физика наноразмерных систем, Физическое материаловедение монокристаллов и ориентированных структур Обсуждено на заседании кафедры Составитель:

физики сегнето - и пьезоэлектриков К.ф.-м.н., профессор:

«_18_»_января 2012 г. _В.В.Иванов Протокол № Зав.кафедрой_профессор В.В.Иванов Тверь II. Пояснительная записка Дисциплина входит в вариативную часть общенаучного цикла М1 (дисциплина по выбору студента). Содержательно она закладывает основы знаний для освоения дисциплин вариативной части профессионального цикла, дисциплин по выбору, учебной и производственной практик, в процессе которых изучается и осваивается технология использования пьезоэлектрических, пироэлектрических, электрооптических свойств сегнетоэлектриков.

2.1. Цели и задачи дисциплины Целями освоения дисциплины являются:

Владеть, способностью приобретать новые знания, использую современные образовательные и информационные технологии.

Применять на практике профессиональные знания и навыки по физике сегнетоэлектриков-полупроводников для решения профессиональных задач. Уметь обсуждать полученные результаты с учетом последних достижений мировой науки.

Ставить задачи научных исследований в области физики сегнетоэлектриков и решать их с использованием современного экспериментального оборудования.

Свободно владеть основными законами и явлениями физики сегнетоэлектриков для решения инновационных задач.

Иметь представление о проведении поиска технических прикладных задач для инновационного развития основных результатов научных исследований в области физики сегнетоэлектриков.

2.2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры Дисциплина входит в профессиональный цикл. Содержательная часть специалиста-физика направлена на исследование и изучение физических свойств сегнетоэлектриков и взаимного влияния электронной подсистемы и сегнетоэлектрических свойств кристаллов. Учебная дисциплина непосредственно связана с дисциплинами «Квантовая теория конденсированного состояния вещества» и «Динамика решетки и сегнетоэлектрические явления».

2.3.Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единиц, часов.

2.4. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля) способностью демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук (ОК-1);

способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять свое научное мировоззрение (ОК-3);

способностью свободно владеть фундаментальными разделами физики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своей магистерской программой) (ПК-1);

способностью использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности (ПК-2);

способностью самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области физики (в соответствии с профилем магистерской программы) и решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования, информационных технологий с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-3);

способностью свободно владеть разделами физики, необходимыми для решения научно-инновационных задач (в соответствии с профилем подготовки) (ПКВ результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать о термодинамической теории фазовых переходов первого и второго рода сегнетоэлектриков; пироэлектрических, электрокалорических, пьезоэлектрических, электрооптических свойствах веществ, обладающих спонтанной поляризацией, о сегнетоэлектриках с особым типом упорядочения, о микроскопических теориях сегнетоэлектричества.

Уметь пользоваться таблицами электрооптических коэффициентов линейного и квадратичного эффектов.

Владеть технологией поиска информации о физических свойствах сегнетоэлектриков в глобальной сети интернет.

2.5. Образовательные технологии традиционная лекция, написание рефератов, презентации и мультимедийные технологии.

2.6. Формы контроля – зачет 3. Учебная программа Тема I. Термодинамическая теория сегнетоэлектрических фазовых переходов.

Общая характеристика сегнетоэлектриков. Классификация сегнетоэлектриков.

Теория фазовых переходов II рода (Теория Ландау). Термодинамическая теория фазовых переходов II рода для одноосных сегнетоэлектриков. Термодинамическая теория сегнетоэлектрических фазовых переходов I рода. Термодинамическая теория и диэлектрический гистерезис. Влияние электрических полей и механических напряжений на фазовые переходы в сегнетоэлектриках. Сегнетоэлектрические фазовые переходы и симметрия кристаллов. Область применения термодинамической теории сегнетоэлектричества Тема II. Доменная структура и процессы переполяризации сегнетоэлектриков.

Причины образования доменной структуры сегнетоэлектриков. Доменные стенки.

Методы наблюдения и исследования доменной структуры сегнетоэлектриков. Реальная доменная структура некоторых сегнетоэлектриков.Доменная структура и процессы переполяризации сегнетоэлектриков. Диэлектрический гистерезис. Эффект Баркгаузена в сегнетоэлектриках.

Тема III. Электромеханические, пироэлектрические и электрооптические свойства сегнетоэлектриков.

Электромеханические свойства сегнетоэлектриков, не обладающих пьезоэффектом в пара-электрической фазе. Электромеханические свойства сегнетоэлектриков с пьезоэффектом в параэлектрической фазе. Пироэлектрический и электрокалорический эффекты. Практическое использование этих эффектов. Электрооптический эффект (общие сведения). Линейный и квадратичный ЭОЭ эффекты. Нелинейные оптические явления.

4. Рабочая учебная программа Общая характеристика сегнетоэлектриков. Классификация сегнетоэлектриков.

Теория фазовых переходов II рода (Теория Ландау).

Термодинамическая теория фазовых переходов II рода для одноосных сегнетоэлектриков.

Термодинамическая теория сегнетоэлектрических фазовых переходов I рода.

Термодинамическая теория и диэлектрический гистерезис.

Влияние электрических полей и механических напряжений на фазовые переходы в сегнетоэлектриках.

Сегнетоэлектрические фазовые переходы и симметрия кристаллов. Область применения термодинамической теории сегнетоэлектричества Причины образования доменной структуры сегнетоэлектриков. Доменные стенки.

Методы наблюдения и исследования доменной структуры сегнетоэлектриков. Реальная доменная структура некоторых сегнетоэлектриков ляризации сегнетоэлектриков. Диэлектрический гистерезис.

Электромеханические свойства сегнетоэлектриков, не обладающих пьезоэффектом в пара-электрической фазе электриков с пьезоэффектом в параэлектрической фазе.

ский эффекты. Практическое использование этих эффектов.

дения). Линейный и квадратичный ЭОЭ эффекты. Нелинейные оптические явления.

5. Планы и методические указания по подготовке к практическим (семинарским) занятиям, выполнению лабораторных работ.

Практические и семинарские занятия не предусмотрены учебным планом.

6. Список литературы (обязательной и дополнительной).

а) основная литература:

1. А.А. Богомолов, В.В. Иванов Практикум по физике сегнетоэлектриков Тверь 2. Малышкина О.В. Отдельные главы курса физики сегнетоэлектрических явлений Уч. Пособие, ТвГУ, Тверь б) дополнительная литература:

1. Иона Ф., Ширане Д. Сегнетоэлектрические кристаллы. М.: Мир, 1965.

2. Желудев И.С. Физика кристаллических диэлектриков. М.:Наука, 1968. Гл.

3. Смоленский Г.А. и др. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. М.:

4.. Смоленский Г.А. и др. “Физика сегнетоэлектрических явлений”, Наука, 5. В.М.Рудяк “Процессы переключения в нелинейных кристаллах”, М., Наука, 6. В.М.Рудяк “Физические свойства сегнетоэлектрических кристаллов”, КГУ, Калинин, 1989.

7. В.М.Рудяк “Физика сегнетоэлектрических явлений”, ч.1, 1982, ч.2, 1983, КГУ, Калинин.

8. Рудяк В.М. Физика сегнетоэлектрических явлений: Учебное пособие. Калинин: КГУ, 1988.

9. Сонин А.С., Струков Б.А. Введение в сегнетоэлектричество. М.: Высшая 10. Б.А.Струков, А.П.Леванюк “Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах”, Наука, 1995.

в) Перечень доступных для ТвГУ информационных ресурсов Внутренние информационные ресурсы:

Сервер информационно-методического обеспечения учебного процесса – http://edc.tversu.ru;

Научная библиотека ТвГУ – http://library.tversu.ru;

Сервер доступа к модульной объектно-ориентированной динамической учебной среде Moodle – http://moodle.tversu.ru;

Сервер обеспечения дистанционного обучения и проведения Web-конференций Mirapolis Virtual Room – http://mvr.tversu.ru;

Репозирорий научных публикаций ТвГУ – http://eprints.tversu.ru.

Внешние информационные ресурсы:

Научная электронная библиотека eLibrary.ru;

Электронная база данных диссертаций РГБ;

База данных Реферативных журналов ВИНИТИ;

Полнотекстовый доступ к журналам AIP (Американский институт физики);

Полнотекстовый доступ к журналам и книгам издательства Springer Verlag;

Полнотекстовый доступ к отдельным журналам и книгам Института инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers);

Полнотекстовый доступ к отдельным журналам Optical Society of America;

Полнотекстовый доступ к журналам ACS (Американского химического общества);

Реферативная база Inspec (доступ к рефератам и полным текстам монографий и научных статей в области физики, электротехники, электроники, коммуникаций, компьютерных наук и информационных технологий);

Коллекция электронных книг Оксфордско-Российского фонда;

Корпоративный каталог «КОРБИС (Тверь и партнеры)».

7. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов При выполнении самостоятельной работы студенту необходимо:

руководствоваться рабочей учебной программой, содержащейся в УМК, учебной научной литературой в соответствии со списком, содержащимся в Основные термины и понятия: сегнетоэлектрики, доменная структура, гистерезис, спонтанная поляризация, процессы переключения, фазовые переходы, пироэлектрический эффект, пьезоэлектрический эффект.

Для контроля самостоятельной работы использовать перечень вопросов:

1. Термодинамическая теория фазовых переходов I и II рода (Теория Ландау).

2. Влияние электрических полей и механических напряжений на фазовые переходы в сегнетоэлектриках.

3. Сегнетоэлектрические фазовые переходы и симметрия кристаллов. Область применения термодинамической теории сегнетоэлектричества 4. Причины образования доменной структуры сегнетоэлектриков. Доменные 5. Методы наблюдения и исследования доменной структуры сегнетоэлектриков.

6. Реальная доменная структура некоторых сегнетоэлектриков.

7. Доменная структура и процессы переполяризации сегнетоэлектриков.

8. Диэлектрический гистерезис.

9. Эффект Баркгаузена в сегнетоэлектриках.

10. Упругие свойства сегнетоэлектриков ( из раздела самостоятельная работа).

11. Поглощение ультразвука и внутреннее трение в сегнетоэлектриках ( из раздела самостоятельная работа).

12. Тепловые свойства сегнетоэлектриков. Теплоемкость. Теплопроводность сегнетоэлектриков( из раздела самостоятельная работа).

13. Первичный пироэлектрический эффект.

14. Вторичный пироэлектрический эффект.

15. Практическое использование пироэлектрического эффекта.

16. Электрокалорический эффект.

17. Практическое использование электрокалорического эффекта 18. Электромеханические свойства сегнетоэлектриков, не обладающих пьезоэффектом в параэлектрической фазе.

19. Электромеханические свойства сегнетоэлектриков с пьезоэффектом в параэлектрической фазе.

20. Оптическая активность.

21. Электрооптический эффект (общие сведения).

22. Линейный и квадратичный ЭОЭ 23. Спонтанный и индуцированный электрическим полем ЭОЭ в сегнетоэлектриках 24. Экспериментальные методы определения электрооптических коэффициентов.

8. Требования к рейтинг-контролю Рейтинг 1.Первая контрольная точка. Содержание модуля 1: Разделы 1.1-1.7, 2.1-2.3, 3.1баллов, из них 25 –текущая работа, 15- посещаемость, 10- контрольная работа.

2. Вторая контрольная точка. Содержание модуля 3: Разделы 4.1-4.6, 5.1-5.6, 6.1.баллов, из них 25 –текущая работа, 15- посещаемость, 10- контрольная работа.

9. Вопросы для подготовки к зачету Что такое сегнетоэлектрик, спонтанная поляризация, точка Кюри?

Сформулировать закон Кюри-Вейса.

Основные характеристики петли диэлектрического гистерезиса. Указать отличия в процессе перемагничивания и переполяризации (кривая намагничивания).

Сегнетоэлектрики типа смещения, порядок – беспорядок.

Основные положения теории Ландау. Параметр порядка.

Описать поведение спонтанной поляризации как функции температуры одноосного сегнетоэлектрика, испытывающего фазовый переход второго рода.

Прокомментировать формулу Ps2.

Правило «двойки». Закон Видера.

Изобразить зависимость спонтанной поляризации от температуры для сегнетоэлектрика, испытывающего фазовый переход первого рода.

10. Прокомментировать формулу для скачка спонтанной поляризации в точке фазового перехода P02s 11. Правило «четверки». Закон Кюри-Вейса для сегнетоэлектриков, испытывающих фазовый переход первого рода.

12. Изобразить зависимость P(E) (диэлектрический гистерезис), следующий из термодинамической теории сегнетоэлектричества.

13. Влияние электрических полей и механических напряжений на фазовые переходы в сегнетоэлектриках.

14. Изменение симметрии кристалла при фазовых переходах. Примеры: ВаTiO3, ТГС. Принцип Кюри.

15. Ограничения, накладываемые на термодинамическую теорию фазовых переходов в сегнетоэлектриках.

16. Примеры доменной структуры сегнетоэлектриков. Методы выявления доменной структуры.

17. Отличия доменной структуры сегнетоэлектриков и ферромагнетиков.

18. Изобразить поведения вектора спонтанной поляризации в доменной границе для сегнетоэлектрика и вектора намагниченности для ферромагнетика.

19. Какие механизмы ответственны за процесс переполяризации в сегнетоэлектрике? Эффект Баркгаузена.

20. Понятия прямого и обратного пьезоэффекта, электрострикция.

21. Пьезоэффект в кристаллах ВаTiO3. Используя матрицу коэффициентов электрострикции кристалла ВаTiO3 в параэлектрической фазе, получить матрицу пьезокоэффициентов в сегнетоэлектрической фазе.

22. Температурная зависимость пьезоэлектрических коэффициентов d3i, d25.

23. Зависимость деформации от величины и направления внешнего электрического поля (петля типа «бабочки»).

24. Пьезоэффект в кристаллах сегнетовой соли. Температурная зависимость пьезомодуля d1i, d26.

25. Возможность переключения поляризации приложением внешних механических напряжений.

26. Как определяется величина пирокоэффициента? Получить выражение для пироэлектрического коэффициента из термодинамической теории в случае фазового перехода второго рода. Изобразить график зависимости пирокоэффициента от температуры.

27. Определение электрокалорического эффекта. Электрокалорический коэффициент.

28. Возможности определения величины спонтанной поляризации из данных по температурной зависимости приращения температуры от квадрата поляризации.

29. Примеры практического использования пироэлектрического и электрокалорического эффектов.

30. Понятие оптической индикатрисы. Двулучепреломление. Спонтанный электрооптический эффект в ВаTiO3.

31. Линейный электрооптический эффект.

32. Квадратичный электрооптический эффект.

33. Генерация второй гармоники.

10. Программа учебной практики Учебной практики в программе курса не предусмотрено 11. Тематика и указания по выполнению курсовых работ по дисциплине учебного плана Курсовой работы в программе курса не предусмотрено.

12. Раздаточный материал и наглядные пособия: методические рекомендации по выполнению лабораторных работ, справочные материалы, аудио- и видеоматериалы.

Наглядные пособия по курсу “Физика сегнетоэлектрических явлений ” представлены в виде слайдов и прозрачных транспарантов 13. Перечень программного обеспечения и Интернет-ресурсов, используемого в преподавании дисциплины (указываются компьютерные программы и мультимедийные учебные курсы).

13.1. Лекционная презентация по учебному пособию А.А.Богомолов, В.В.Иванов «Физика сегнетоэлектриков-полупроводников».

13.2. Лицензионное программное обеспечение Системное ПО:

Microsoft Windows (версии XP и 7);

Microsoft Windows Server (версии 2003 R2 и 2008 R2);

Novell Netware 5.1.

Обучение основам программирования и Web-разработки:

Microsoft Visual Studio 2010;

Microsoft Expression 3;

Embarcadero RAD Studio 2009 Architect.

Офисные программы:

Microsoft Office Professional (версии 2003, 2007 и 2010).

Графика:

Adobe Photoshop (версии CS2, CS4);

Adobe Acrobat Professional (версии 7, 8, 9).

Научные расчеты и графика:

MapleSoft Maple 10;

MathWorks Matlab 2010;

OriginLab OriginPro 8.1.

Моделирование и проектирование в радиоэлектронике:

Cadence OrCAD PCB 16.3.

Вспомогательное ПО:

Словари ABBYY Lingvo;

Adobe Reader 9;

Система OCR ABBYY FineReader;

Файловый менеджер Total Commander 7.x;

NetOp School;

Антивирусное ПО Symantec Endpoint Protection.

14. Материально-техническое обеспечение дисциплины (Указывается материально-техническое обеспечение данной дисциплины:

Лекционная аудитория оборудована мультимедийными средствами обучения.

Лабораторный практикум оснащен электроизмерительным оборудованием для изучения физических свойств сегнетоэлектриков: термостат, мост переменного тока, схема Сойера-Тауэра, осциллограф, кристаллодержатель, кристаллы ТГС (термопара медь-константан, потенциометр), осциллограф, источник постоянного напряжения, блок коммутации напряжения, кристаллодержатель, потенциометр ПП-63, термопара медь-константан, усилитель У2-8 (У2-6), блок питания, пересчетный прибор, осциллограф, кристаллодержатель с исследуемым образцом, термостат.