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科目の基本情報
| 開講年度 | 2020 年度 | |
|---|---|---|
| 開講区分 | 工学研究科(博士前期課程)機械工学専攻 | |
| 領域 | 主領域 : A; 副領域 : E, F | |
| 受講対象学生 |
大学院(修士課程・博士前期課程・専門職学位課程) : 1年次, 2年次 |
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| 選択・必修 | 選択 |
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| 授業科目名 | 固体物理学演習 | |
| こたいぶつりがくえんしゅう | ||
| Seminar in Solid State Physics | ||
| 単位数 | 1 単位 | |
| ナンバリングコード | EN-SYST-5
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| 開放科目 | 非開放科目 | |
| 開講学期 |
前期 |
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| 開講時間 |
木曜日 7, 8時限 |
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| 開講場所 | ||
| 担当教員 | 小竹 茂夫（大学院工学研究科機械工学専攻），河村 貴宏（大学院工学研究科機械工学専攻） | |
| KOTAKE, Shigeo KAWAMURA, Takahiro |
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| SDGsの目標 |
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学修の目的と方法
| 授業の概要 | 固体物理学は，量子力学を基礎に，電子やフォノン，光の振る舞いを通して，様々な物質の性質を明らかにする学問である．機械工学では，鉄鋼材料を始めとした構造材料の強度を研究対象とするが，これらの力学物性（弾性・塑性・疲労・破壊）を固体物理学の観点から明らかにすることは，あまりなされてこなかった．ところが近年，第一原理計算等の固体物理の計算法が，フリーソフトとして万人に開放されてきたことから，固体物理学による解析が身近になり，これを利用した材料開発や機械工学への応用が近年，求められている．そこで本講義では，連続して行う「固体物性論特論」と連携して，演習で第一原理計算等による固体物理の計算をおこなうと共に，特論では，固体物理全般の知識を専門書を輪講しながら学ぶ．特にbcc結晶の強磁性材料である鉄鋼材料の力学物性は，合金化による電子密度や磁壁と転位の相互作用や，パイエルスポテンシャル等の議論に大きく影響されることから，バンド構造，磁性や転位等の振る舞いを深く理解する必要がある．そこで本講義では，固体物理学を広く学ぶことで，これらの議論の背景となる知識を紹介する． 一方，固体物理学で明らかにされた材料の各種パラメーターは固体熱力学を通して，結晶相の安定性が議論される．特に鉄合金材料の力学物性は，合金化によるオーステナイトやフェライト，マルテンサイト，セメンタイト相等に代表される相の安定性の温度や応力による変化に大きく影響されることから，固体熱力学に関する知識も書籍等を輪講することで紹介する． 他方，本講義は，研究室の大学院生に，研究に必要な知識を与える場としても活用していることから，時には固体物性に関わらず，制御理論や量子コンピュター，人工知能，プログラミング，ワンボードマイコンの使用法等，様々な話題を取り上げ，講義を行う．内容は，毎年，講義の始めに，受講者と相談して決めることから，特に注意されたい． Solid state physics is the study of the properties of various materials based on the behavior of electrons, phonons, and light based on quantum mechanics. In mechanical engineering, the strength of structural materials, including steel materials, is the subject of research. However, it has not been often clarified that these mechanical properties (elasticity, plasticity, fatigue, and fracture) are from the viewpoint of solid-state physics. There was no. However, in recent years, solid-state physics calculation methods such as first-principles calculations have been open to everyone as free software, so analysis by solid-state physics has become familiar, and the use of this method in material development and mechanical engineering Applications have been required in recent years. Therefore, in this lecture, in cooperation with the continuous "Solid State Physics", solid state physics is calculated by first-principles calculations, etc. Learn while attending a lecture. In particular, the mechanical properties of steel materials, which are ferromagnetic materials of bcc crystals, are greatly affected by the discussion of the electron density and the interaction between domain walls and dislocations due to alloying and the Peierls potential. You need to have a deep understanding of the behavior of. Therefore, in this lecture, we will introduce the knowledge behind these discussions by studying solid state physics widely. On the other hand, the stability of the crystalline phase is discussed through the solid-state thermodynamics of various parameters of the material revealed by solid-state physics. In particular, the mechanical properties of iron alloy materials are greatly affected by changes in the stability of phases such as austenite, ferrite, martensite, and cementite phases due to alloying due to temperature and stress. It will be introduced through a series of lectures. On the other hand, since this lecture is also used as a place to give graduate students in the laboratory the knowledge necessary for research, sometimes regardless of solid physical properties, control theory, quantum computers, artificial intelligence, programming, one-board Lectures will be given on various topics such as how to use microcomputers. Particular attention should be paid to the content, which is determined each year at the beginning of the lecture in consultation with the students. |
|---|---|
| 学修の目的 | ・金属や半導体等の電子論が理解できる． ・第一原理計算の理論的背景を理解できる． ・バンド構造を用いた議論ができる． ・逆格子ベクトルが理解できる． ・結晶の対称性による分類を理解できる． ・相の安定性を議論できる． ・第一原理計算ソフトの結果を理解できる． ・フォノンによる熱物性を理解できる． ・磁性材料の性質を理解できる． ・誘電体の性質を理解できる． ・超伝導現象が理解できる． ・電気伝導や熱伝導現象が理解できる． ・ Understand the electronic theory of metals and semiconductors. ・ Understand the theoretical background of first-principles calculations. ・ Discuss using the band structure. ・ Understand reciprocal lattice vectors. ・ Understand classification by crystal symmetry. ・ Discuss phase stability. ・ Understand the results of first-principles calculation software. ・ Understand the thermophysical properties of phonons. ・ Understand the properties of magnetic materials. ・ Understand the properties of dielectrics. ・ Understand superconductivity. ・ Understand electrical and thermal conduction phenomena. |
| 学修の到達目標 | ・金属や半導体等の電子論が理解できる． ・第一原理計算の理論的背景を理解できる． ・バンド構造を用いた議論ができる． ・逆格子ベクトルが理解できる． ・結晶の対称性による分類を理解できる． ・相の安定性を議論できる． ・第一原理計算ソフトの結果を理解できる． ・フォノンによる熱物性を理解できる． ・磁性材料の性質を理解できる． ・誘電体の性質を理解できる． ・超伝導現象が理解できる． ・電気伝導や熱伝導現象が理解できる． ・ Understand the electronic theory of metals and semiconductors. ・ Understand the theoretical background of first-principles calculations. ・ Discuss using the band structure. ・ Understand reciprocal lattice vectors. ・ Understand classification by crystal symmetry. ・ Discuss phase stability. ・ Understand the results of first-principles calculation software. ・ Understand the thermophysical properties of phonons. ・ Understand the properties of magnetic materials. ・ Understand the properties of dielectrics. ・ Understand superconductivity. ・ Understand electrical and thermal conduction phenomena. |
| ディプロマ・ポリシー |
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| 成績評価方法と基準 | 出席：p点（30点）、発表：q点（30点），レポート：r点（40点）の p+q+rの点を総合的に評価する。 60点以上を合格とする。 Attendance: p point (30 points), presentation: q point (30 points), report: r point (40 points) The point of p + q + r is comprehensively evaluated. A score of 60 or more is considered acceptable. |
| 授業の方法 | 講義 演習 |
| 授業の特徴 |
問題提示型PBL（事例シナリオ活用含） 問題自己設定型PBL プロジェクト型PBL 実地体験型PBL その他、能動的要素を加えた授業（ミニッツペーパー、シャトルカードなど） 教員と学生のやり取りは日本語でも、英語による論文や教材の講読を含んだ授業 |
| 授業改善の工夫 | 書画カメラを使い，毎回の授業ノートを公開する． Using a document camera, publish every class notebook. |
| 教科書 | Introduction to the Electron Theory of Metals: Uichiro Mizutani: CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS |
| 参考書 | 密度汎関数理論入門: 理論とその応用, D.S.ショール, J.A.ステッケル著，吉岡書店 ISBN 978-4-842-70365-7 Density Functional Theory: A Practical Introduction, David Sholl and Janice A Steckel, Wiley-Interscience |
| オフィスアワー | 毎週月曜日12：20～14：30に機械棟2階小竹教員室にて対応する．電子メールによる質問を歓迎する． Every Monday from 12:20 to 14:30, I will respond in the Kotake teacher's room on the second floor of the machine building. I welcome e-mail questions. |
| 受講要件 | 固体物理学特論も同時に受講すること． Students must also take a lecture on "Solid State Physics" at the same time. |
| 予め履修が望ましい科目 | 量子力学，応用電子論，応用量子論，統計力学 Quantum mechanics, Applied Electron Theory, Applied Quantum Mechanicsy, statistical mechanics |
| 発展科目 | 固体物理学特論，極限物性論，極限物性論演習 Solid State Physics, Physics of Extreme Materials, Solid State Physics under Extreme Environment |
| その他 |
英語対応授業である。 ・講義の連絡はMoodleを通じて連絡しますので，登録を御願いします。 ・レジュメは，Moodel内にpdfの形で置いてあります。なくした人は取って行ってください。 ・Lectures will be communicated through Moodle, so please register. ・ The resume is in pdf format in Moodel. If you lose, please take it away. |
授業計画
| MoodleのコースURL |
https://moodle.mie-u.ac.jp/moodle35/course/view.php?id=266 |
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| キーワード | 化学結合，結晶格子，結晶群，X線回折，逆格子，ブリルアン・ゾーン，構造解析， 自由電子，固体の電子バンド構造，第一原理計算，磁性，強磁性 |
|---|---|
| Key Word(s) | chemical bonding, crystal lattice, crystal group, X-ray diffraction, reciprocal lattice, Brillouin zone, structural analysis, free electron, electronic band structure of solid, first-principles calculation, magnetism, ferromagnetism |
| 学修内容 | 第１回講義 密度汎関数理論とはなんだろう？ シュレディンガー方程式 密度汎関数理論 交換相関汎関数 DFTではできないこと Lecture 1: What is Density Functional Theory? Schrodinger equation Density functional theory Exchange correlation functional What DFT cannot do 第２回講義 単純な固体のDFT計算（その１） 結晶格子 面心立方晶 最密六方晶 Lecture 2: DFT Calculation of Simple Solid (Part 1) Crystal lattice Face-centered cubic Closest hexagonal 第３回講義 単純な固体のDFT計算（その２） 結晶構造の予測 相変態 Lecture 3: DFT Calculation of Simple Solid (Part 1) Crystal structure prediction Phase transformation 第４回講義 DFT計算の実際（その１） k空間とk点 切断エネルギー 数値最適化 Lecture 4: Actual DFT Calculation (Part 1) k space and k points Cutting energy Numerical optimization 第５回講義 DFT計算の実際（その２） 全エネルギー 構造最適化 Lecture 5: Actual DFT Calculation (Part 1) Total energy Structural optimization 第６回講義 電子構造と磁気的性質（その１） 電子状態密度 局所状態密度 Lecture 6: Electronic Structure and Magnetic Properties (Part 1) Electronic density of states Local density of states 第７回講義 電子構造と磁気的性質（その２） 磁性 Lecture 7: Electronic Structure and Magnetic Properties (Part 2) Magnetism 第８回講義 Quantum Espressoのインストール Quantum Espressoのマニュアル Lecture 8: Install Quantum Espresso Manual on Quantum Espresso 第９回講義 第一原理計算（その１） Quantum Espressoによる簡単なバンド計算（その１） Lecture 9: First-Principles Calculation (Part 1) Simple band calculation by Quantum Espresso (Part 1) 第１０回講義 第一原理計算（その２） Quantum Espressoによる簡単なバンド計算（その２） Lecture 10: First-Principles Calculation (Part 2) Simple band calculation with Quantum Espresso (Part 2) 第１１回講義 第一原理熱力学による平衡状態図（その１） 金属酸化物の安定性 金属の安定性 Lecture 11: First-principles thermodynamic equilibrium diagram (Part 1) Metal oxide stability Metal stability 第１２回講義 第一原理熱力学による平衡状態図（その２） 複数の化学ポテンシャルと化学反応 Lecture 12: First-principles thermodynamic equilibrium diagram (Part 2) Multiple chemical potentials and chemical reactions 第１３回講義 第一原理計算（３） Quantum Espressoによる簡単な相の安定性 Lecture 13: First-Principles Calculation (3) Simple phase stability with Quantum Espresso 第１４回講義 第一原理計算（４） Quantum Espressoによる簡単な磁性計算 Lecture 14: First-Principles Calculation (4) Simple magnetic calculation with Quantum Espresso 第１５回講義 DFT計算は，どれくらい正確か？ 汎関数の選択 物理的な正確さ 電子相関の補正 Lecture 15: How accurate is the DFT calculation? Selection of functional Physical accuracy Electronic correlation correction |
| 事前・事後学修の内容 | 事前学修：パワーポイントを準備ください． 事後学修：レポートを準備ください． Pre-learning: Prepare a PowerPoint. Post-learning: Prepare a report. |