FY542: Eksperimentel fysik og halvledere

Studerende, der følger kurset, forventes at:

• Have kendskab til grundlæggende mekanik, elektromagnetisme, termodynamik og indledende kvantemekanik.
• Kendskab til grundlæggende calculus, inklusiv ordinære og partielle differentialligninger og grundlæggende begreber i statistik.
• Kendskab til det computerbaserede beregningsværktøj, MATLAB. 

Kurset har to formål: dels at sætte den studerende i stand til at designe og udføre fysiske og tekniske eksperimenter, dels at forstå de fysiske mekanismer bag grænsefladespænding og Brownsk bevægelse samt fysikken af halvlederbaserede komponenter (transistor, solcelle og lys emitterende diode) . Eksperimentel fysik beskæftiger sig generelt med opsamling af viden og data om fysiske fænomener og deres anvendelser. Kurset indeholder en serie forsøg som introducerer centrale eksperimentelle metoder og illustrerer vigtige fysiske fænomener og deres anvendelser.

Kurset bygger oven på den viden, der er erhvervet i kurserne Mekanik og Termodynamik, Elektromagnetisme og Optik samt Kvantemekanik.  Kurset giver et fagligt grundlag for senere kurser i eksperimentel fysik og kondenserede stoffers fysik samt kompetencer til at designe og udføre eksperimenter indenfor forsknings- og udviklingsarbejde. 

I forhold til uddannelsens kompetenceprofil har kurset eksplicit fokus på at give:

• færdigheder i opsætning af teoretiske modeller for fysiske fænomener 
• kompetencer i at designe fysiske eksperimenter med henblik på at teste validiteten af teoretiske modeller 
• grundlæggende teoretisk beskrivelse af grænsefladespænding og Brownsk bevægelse.
• grundlæggende teoretisk viden om halvlederes fysiske egenskaber. 
• kompetence i at gennemføre fysiske eksperimenter, herunder i forsøgsplanlægning, udførelse af forsøg, dataanalyse og afrapportering
• færdigheder i at undersøge og anvende fysiske fænomener eksperimentelt  
• forskningsbaseret viden om fysikkens eksperimentelle metoder

Anvendelser:

En fundamental forståelse af grænsefladespænding og Brownsk bevægelse er essentiel for at kunne bidrage til teknologisk udvikling af bløde materialer, eksempelvis fremføring af lægemidler og udvikling af fremtidens fødevarer.  En fundamental forståelse af halvlederes fysiske virkemåde er essentiel for at kunne bidrage til udviklingen af nye energieffektive elektroniske komponenter som computer-chips, lysemitterende dioder (LED) og for udviklingen af nye solceller med forbedrede egenskaber.

For at opnå kursets formål er det læringsmålet for kurset, at den studerende demonstrerer evne til at:            

• Redegøre for design og opbygning af eksperimenter i kurset. 
• Beskrive den underliggende teori for de udførte forsøg.
• Udføre udledninger af teoretiske modeller, af relevans, for de udførte eksperimenter.
• Gennemføre eksperimenter i laboratoriet og vurdere kvaliteten af egne data med henblik på analyse.
• Forstå den fysiske beskrivelse af grænsefladespænding, herunder ligningerne for formen af en hængende dråbe og tilhørende numerisk løsning.
• Forstå den fysiske beskrivelse af Brownsk bevægelse som eksempel på et fysisk system med stokastisk dynamik. 
• Forstå halvlederes fysisk, herunder anvendelse af kvantemekanik, dotering og Fermi-Dirac statistik til at forklare mekanismerne i halvleder baserede komponenter.
• Anvende teorien til at foretage kvantitative beregninger af halvlederes konduktans som funktion af dotering og temperatur, samt af virkemåden af dioder, lysemitterende dioder (LED), transistorer og solceller.
• Designe eksperimenter der kan teste validiteten af disse teorier.
• Gennemføre en kvantitativ dataanalyse af eksperimentelle data, herunder anvende statistiske og computerbaserede metoder, hvor dette er relevant.
• Udlede konklusioner fra analysen af de eksperimentelle data.
• Redegøre for eksperimenter og resultater i rapportform.

Teoretisk baggrund for og udførelsen af de eksperimentelle øvelser som omhandler:

1. Formen af væskedråber
2. Brownsk bevægelse
3. Halvlederkomponenter:

• Doterede halvledere
• Dioden og den lysemitterende diode (LED)
• Den bipolære transistor
• Solcellen.

Øvelserne udføres i hold à 2-3 studerende. Som introduktion til øvelserne gennemgås den centrale teori og den studerende udleder formler, hvis validitet skal undersøges gennem eksperimenterne.

På naturvidenskab er undervisningen tilrettelagt efter trefasemodellen dvs. intro, trænings- og studiefasen. For at sætte de studerende i stand til at nå læringsmålene for kurset er undervisningsn fordelt mellem introducerende forelæsninger og regneøvelser kombineret med laboratorieøvelser.

• Introfase (forelæsning, holdtimer) - Antal timer: 12
• træningsfase: Antal timer: 22, heraf 2 E-timer og 20 L-timer

Aktiviteter i studiefasen:

• Besvarelse af teoretiske spørgsmål og løsning af opgaver
• Forberedelse til eksperimentelt arbejde og konstruktionsarbejde.
• Analyse af eksperimentelle data. 
• Rapportskrivning.
• Forberedelse til mundtlig eksamen.