物性論３Ｃ

Solid State Physics 3C

9912217

12PHCMP308

徳永　英司

Tokunaga Eiji

2024年度後期

2024 / 2nd Semester

火曜2限

Tuesday  2nd period (10:30-12:00)

理学部第一部　物理学科

Department of Physics, Faculty of Science Division Ⅰ

1.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

光と物質の相互作用は多彩な現象を引き起こし、現代社会に必須の光電子工学の基礎となっている。例えば、光のエネルギーは物質を電子励起するエネルギーと等しいことから、可視光で観測できる世界は物質の電子的性質を反映している。光と物質の相互作用を学習することで、これらのことを実感として理解してもらうことが講義の目標である。話は必ずしも固体に限定せず、できるだけ具体例を挙げながら、物質の光学的性質について重要な概念を中心に講義する。
物性論２Ｃで　光と物質の相互作用　物性論３Ｃで　物質の電子状態と光学遷移 　を扱う。

本授業は物理学科のディプロマ・ポリシー項目2に定める「物理学の高度な専門知識」を
身に付けるための科目である。 また、物理学科ルーブリックの評価軸2の「専門学力」の項目
に該当する科目である。

物性論2Cで学んだ光と物質の相互作用の物理学を踏まえて、具体的な物質の電子状態と光学遷移の物理学を理解する。

・簡単な分子から結晶まで、分子軌道法（強束縛近似）による扱いで物質の電子状態（波動関数）を導くことができ、　その光学特性（遷移エネルギー、吸収強度）を波動関数を使って計算できる。
・絶縁体・半導体の価電子帯、伝導帯の波動関数の対称性の起源を理解し、光学遷移が可能（許容）であることを理解する。
・電子励起に伴って格子構造が変化する電子格子相互作用を理解する。

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

物性論2Cを履修していることが望ましいが、履修していなくても理解できる内容になっている。
物性論2Cで扱った最低限必要な知識は櫛田孝司　光物性物理学　2章、3章にあるので、必要な場合は参照してほしい。

学科Webサイトにある物性論群俯瞰図スライドショー
https://dept.tus.ac.jp/physics/education/curriculum/
を見て、物性論3Cがどのように他のコア科目と関連しているか？を把握すること）

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毎回の提出課題で評価する。

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
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P.A.Cox　固体の電子構造と化学
工藤恵栄　光物性基礎　　オーム社
Yu&Cardona, Fundamentals of Semiconductors, Springer

授業計画　　物質の電子状態と光学遷移
第１回　　簡単な分子の電子状態と光学遷移 　分子の自由電子モデル
多原子分子を井戸型ポテンシャルの自由電子モデルで記述し、その光学特性（遷移エネルギー、吸収強度）が電子波動関数を使ってどのように計算できるかを理解する。

第２回　　分子軌道法(強束縛近似)、線状多原子分子(1準位同種分子)
結晶の電子構造を強束縛近似で解いて光学特性を予言するために、結晶を構成する原子・分子の電子波動関数が結晶の電子状態の対称性を決めることが理解しやすい分子軌道法を導入。ヒュッケル法で1準位同種分子の電子状態を解ける。

第３回　　環状多原子分子(1準位同種原子)　固体の電子状態と光学遷移
周期的境界条件の簡単な例として環状４原子分子の電子状態を導ける。
固体結晶の電子状態、特にバンド間遷移の特徴を理解する。

第４回　２準位異種２原子分子 　その周期配列(1次元結晶)
化合物半導体 の電子構造を2準位異種2原子分子の周期配列の1次元結晶から理解する。価電子帯、伝導帯の波動関数の対称性の起源を理解し、光学遷移が可能（許容）であることを導く。

第５回　バンド間遷移の選択則、吸収係数
絶縁体・半導体のバンド間遷移による吸収スペクトルが振動子強度と状態密度によって決まっていることを理解する。

第６回　分子構造と吸収スペクトル
同じ電子状態でも、分子構造（骨格）が異なると、吸収スペクトルも変化することをシスピークの例で理解する。

第７回　電子格子相互作用
電子基底状態から電子励起状態へ光励起して電子状態が変化することで分子構造が変化する、電子格子相互作用の一般論を理解する。

第８回　蛍光と燐光　非線形光学入門
蛍光と燐光の違いを理解する。光と物質の線形相互作用の非線形光学へのつながりを理解する。

コロナ対応による遠隔授業で板書内容をすべて電子化したため、上記の内容だけだと時間が余るので、適宜学んだ内容と関連のある徳永研における研究についても紹介する。

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