Βασικές Έννοιες στη Χηµεία των Υλικών Ιοντικοί, οµοιοπολικοί και µεταλλικοί δεσµοί στα στερεά, ηλεκτρονικές ιδιότητες και ενεργειακές ζώνες. εσµοί van der Waals, αποκλίσεις από τους βασικούς δεσµικούς τύπους. Μεταφορική και περιστροφική συµµετρία, πλέγµατα, κρυσταλλικά συστήµατα, θεµελιώδεις (πρωτογενείς) και µοναδιαίες κυψελίδες. Πυκνή στοίβαξη, αριθµοί σύνταξης, µεταλλικά και ιοντικά στερεά. Παράγοντες που καθορίζουν τη δοµή, τη στοιχειοµετρία και τη σταθερότητα των στερεών, θερµοδυναµική ιοντικών κρυστάλλων. Μετασχηµατισµοί φάσεων και διαγράµµατα συµπυκνωµένων καταστάσεων. Κρυσταλλικές ατέλειες, προσµίξεις, µη στοιχειοµετρία, επίδραση στις φυσικοχηµικές και µηχανικές ιδιότητες των στερεών υλικών. ιάχυση και µεταφορά φορτίου στα στερεά. Βασικές αρχές ηλεκτρονικής, οπτικής και µαγνητικής συµπεριφοράς των στερεών.
Ηλεκτρονικές Ιδιότητες των Στερεών. Περιγραφή µε βάση τη θεωρία των ζωνών Bloch Wilson Βασικές έννοιες Κύµα διάδοσης ελεύθερων ηλεκτρονίων, exp(ikx). "Ορµή" (p) και µήκος κύµατος (λ) ηλεκτρονίου, p = h/λ. ιαµορφωµένα ηλεκτρονικά κύµατα εντός περιοδικού κρυσταλλικού δυναµικού U(x). Τροχιακά Bloch: Υ(x) = [exp(ikx)] U(x). Σκέδαση ηλεκτρονίων σε πυρήνες, στάσιµα κύµατα και συνθήκη του Bragg, εµφάνιση απαγορευµένων ζωνών ενέργειας. Πρώτη ζώνη Brillouin, περιγραφή ζωνών µε βάση την πυκνότητα καταστάσεων, n(e). Ηλεκτρονική κατανοµή Fermi-Dirac, πιθανότητα κατάληψης στάθµης Ε, f FD (E). Πυκνότητα κατειληµµένων και µη κατειληµµένων καταστάσεων, n(e) = f FD (E) N(E).
Χηµικό δυναµικό Ε F ή στάθµη Fermi στα µεταλλικά στερεά. Χηµικό δυναµικό Ε F ή στάθµη Fermi ηλεκτρονίων σε ενδογενείς ηµιαγωγούς. Κανόνες επιλογής για ηλεκτρόνια, οπτικές µεταβάσεις, ορµή k, ηλεκτρικό δίπολο, m. Εµπλουτισµός (doping), µοντέλο πρόσµιξης υδρογόνου, εµπλουτισµός n/p, ακτίνες και ενέργειες ηλεκτρονίων/οπών. Ενεργός µάζα ηλεκτρονίων/οπών στα στερεά, m eh* = (h/2π) 2 /(d 2 E/dk 2 ). Περιγραφή ζωνών µε το µοντέλο ισχυρής δέσµευσης Y k = S 1n exp(ikna)f n, περιοδικά τροχιακά Bloch SALCAO. Προσέγγιση µοριακών τροχιακών ηλεκτρονίων/οπών για στερεά, ολοκληρώµατα Coulomb H ii και συντονισµού H ij, επικάλυψη τροχιακών πλησιέστερων γειτόνων και γραφήµατα διασποράς E(k) ως προς k, Επικάλυψη τροχιακών, εύρος ζώνης, απο-εντοπισµός, ενεργειακό διάκενο, καµπυλότητα ζώνης, m*, ευκινησία, αγωγιµότητα.
ιατάξεις Ζεύξεις ηµιαγωγών, θεώρηµα του Gauss, δυναµικό επαφής, κάµψη ζωνών. ίοδοι n/p, ενώσεις µετάλλου-ηµιαγωγού, φράγµατα/δίοδοι Schottky, ωµικές επαφές. Φωτοβολταϊκά, φωτοανιχνευτές. Ζεύξεις ηµιαγωγού/υγρού. Ηλιακά στοιχεία και φωτοηλεκτροχηµικά στοιχεία. ιπολικά τρανζίστορ pnp και npn, ενισχυτές, διακόπτες. Τρανζίστορ εγκάρσιου πεδίου µετάλλου-οξειδίου-ηµιαγωγού, ΜΟS-FET. ίοδοι ηµιαγωγών εκποµπής φωτός, LED, λέιζερ, ανιχνευτές. Οργανικά LED και FET. Κβαντικά περιορισµένοι ηµιαγωγοί, φύλλα, ίνες και νησίδες. Κβαντικά υπερπλέγµατα. Κβαντικές διατάξεις, ηλεκτρονικοί/οπτικοί διακόπτες, λέιζερ MQW, SET. Νανοϋλικά, νανοηλεκτρονική, νανοφωτονική, νανοµηχανές.
Χηµεία στερεάς κατάστασης υλικών/φυσική συµπυκνωµένης ύλης Από τα µόρια στα στερεά / Από τους δεσµούς στις ζώνες ΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ ΣΤΗ ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ώνη σθένους (VB), συνεχείς ενεργειακές στάθµες ώνη αγωγιµότητας (CB), συνεχείς ενεργειακές στάθµες νέργεια Fermi, E F ΜΟΡΙΑΚΑ ΤΡΟΧΙΑΚΑ HOMO, διακριτές ενεργειακές στάθµες LUMO, διακριτές ενεργειακές στάθµες (Ηλεκτρο)χηµικό δυναµικό ροχιακό Bloch, απο-εντοπισµένο Μοριακό τροχιακό, εντοπισµένο ή µη πολογισµός ζωνών µε το µοντέλο ισχυρής δέσµευσης (ΤΒΑ) µπλουτισµός τύπου n (n-doping) µπλουτισµός τύπου p (p-doping) νεργειακό διάκενο, E g µεσο ενεργειακό διάκενο, κανόνες επιλογής ορµής/διπόλου µµεσο διάκενο, κανόνες επιλογής ορµής/φωνονίου/διπόλου ωνόνια ή ταλαντώσεις/λικνίσεις πλέγµατος αραµόρφωση Peierls, κύµα πυκνότητας φορτίου ολαρόνια, µαγνόνια, πλασµόνια Υπολογισµός µοριακών τροχιακών Αναγωγή, βασική κλίµακα ph Οξείδωση, όξινη κλίµακα ph διάκενο HOMO-LUMO Επιτρεπόµενο δίπολο Απαγορευµένο δίπολο όνηση/περιστροφή µορίου Παραµόρφωση Jahn-Teller εν υπάρχουν ανάλογα στα µόρια
Βασικά θέµατα στα υλικά Φυσικές και χηµικές ιδιότητες µη µοριακών στερεών. Τεχνολογία και µέθοδοι σύνθεσης και χαρακτηρισµού στερεών υλικών. Τέλειοι και ατελείς κρύσταλλοι, ενδογενείς και εξωγενείς αταξίες, προσµίξεις-εµπλουτισµός, µη στοιχειοµετρία. Μικροκρυσταλλικές κονίες. Πολυκρυσταλλικά δισκία, σωληνίσκοι και ραβδία. Μονοκρυσταλλικά και πολυκρυσταλλικά φιλµ, επίταξη, ελαστικές τάσεις, φυσικοχηµικές και γεωµετρικές ατέλειες. Μη κρυσταλλικά, άµορφα, υαλώδη υλικά. Νανοκρυσταλλικά, παρακρυσταλλικά, οιονεί-κρυσταλλικά υλικά, υγροί κρύσταλλοι.
Μέθοδοι Σύνθεσης Στερεών (1) Μέθοδος άµεσης αντίδρασης. Μέθοδος πρόδροµων ουσιών. Τεχνικές κρυστάλλωσης, διαλύµατα, τήγµατα, γυαλιά, gels, υδροθερµικά, τηγµένα άλατα, υψηλές P/T. Μεταφορά σε φάση ατµών, σύνθεση, εξευγενισµός, κρυσταλλική ανάπτυξη, εµπλουτισµός. Μέθοδοι ιοντοεναλλαγής, διαλύµατα, τήγµατα. Έγχυση, παρεµβολή: χηµική, ηλεκτροχηµική, πίεσης. Chimie Douce, µέθοδοι ήπιας χηµείας, σύνθεση νέων µετασταθών υλικών (π.χ. φάσεις ανοιχτού χωροδικτύου).
Μέθοδοι Σύνθεσης Στερεών (2) Ηλεκτροχηµική σύνθεση, µέθοδοι redox, ανοδική οξείδωση, οξειδωτικός πολυµερισµός Χηµική, ηλεκτροχηµική και φυσική παρασκευή λεπτών φιλµ και υπερπλεγµάτων. Αυτο-οργανούµενα µονο- και πολυ-στρώµατα. Ανάπτυξη µονοκρυστάλλων από ατµούς και υγρά, χηµική ανάπτυξη σε στερεά φάση, ηλεκτροχηµική ανάπτυξη, ανάπτυξη µε µεθόδους υψηλής πίεσης. Συνδυαστική χηµεία υλικών.
Τεχνολογίες αιχµής: Σύνθεση νέων υλικών Πορώδες πυρίτιο. Υπεραγώγιµα φιλµ υψηλών θερµοκρασιών. Buckyballs και buckytubes, διατάξεις σε νανο-κλίµακα. Φιλµ διαµαντιού. Φθοριούχος άνθρακας, ο αδιάβροχος. Στοιχεία καυσίµου υδρογόνου µε βάση µεµβράνες Pt και Nafion. Υπεραγώγιµες οργανοµεταλλικές ενώσεις παρεµβολής µε ρυθµιζόµενη, µεταβλητή σύσταση.