Materialvetenskapliga principer

Mål

Materialvetenskap är en fusion av tvärvetenskapliga teorier och metoder från 1980-talet, och täcker ett brett spektrum av vetenskapliga och tekniska aspekter. Det primära målet för denna introduktionskurs är att ge studenterna en kunskapsbas för kvantteori, fasta tillståndets kemi, termodynamik och kinetik, med relevanta matematiska verktyg och många tillämpningsexempel i materialvetenskap, för att underlätta fortsatta studier och förstå hur syntestekniker, strukturer och egenskaper hos olika material relateras till varandra, speciellt avseende kristallina fasta material i bulk-, tunnfilms- och nanoskale-strukturer. Efter kursen förväntas studenten:

• kunna beskriva ett material utifrån ett kvantmekaniskt perspektiv, från enskilda atomer och interatomära bindningar till kristallina periodiska strukturer
• förstå hur strukturen styr egenskaper av olika material på både mikroskopiska och makroskopiska nivåer
• kunna förklara massverkans- och fasomvandlings-processer hos fasta material, baserat på både termodynamiska och kinetiska överväganden
• ha kunskap om några vanliga metoder för materialsyntes och tillväxt med avseende på bakomliggande fysik och kemi, samt ha kunskap om hur framställningsteknikerna påverkar strukturerna och egenskaperna hos ett material
• kunna utveckla en process för att framställa (syntetisera eller växa) det önskade materialet, och beräkna syntes- (tillväxt-) hastigheten med hjälp av kinetiska ekvationer för motsvarande kemiska reaktion.

Innehåll

Kvantteori och atomstruktur: Våg-partikeldualism, vågfunktioner, Schrödingerekvationen och grundläggande kvantmekanik, Bohrs atommodell, kvantmekaniska modeller och elektronkonfigurationer i en atom etc.

Kemisk bindning och molekylära strukturer: Egenskaper hos bundna atomer, modeller för kemisk bindning och hybridisering, Born-Oppenheimerapproximationen och molekylorbitalteori etc.

Fasta tillståndets kemi: Materietillstånd och fasövergångar, kärnbildning och sammansättning av kristaller, gitter och struktursymmetri, fundamentala egenskaper hos olika materia etc.

Termodynamik och kinetik i materialvetenskap: Kemiska energier och första huvudsatsen, kemisk jämvikt och andra huvudsatsen, kemisk kinetik och reaktionsmekanismer etc.