Кафедра фізики твердого тіла

  • Про кафедру
  • Співробітники
  • Навчальні дисципліни
  • Викладацький розклад
  • Методичні матеріали
  • Дослідження

Утворення і початок наукової діяльності кафедри фізики твердого тіла припадають на 1958-64 рр. Тоді кафедру очолював А. Глауберман. Створена заново 2007. Зав. каф. проф. В. Капустяник.

Кафедра забезпечувала підготовку студентів за спеціальностями фізика твердого тіла і фізика металів та читання курсів: фізика твердого тіла, фізика металів, фізика напівпровідників, металознавство, фізика кристалів, ренгеноструктурний аналіз та ін. Кафедра мала навчальні лабораторії з металознавства, вирощування напівпровідникових кристалів, рентгеноструктурного аналізу, фізики розплавів, фізики напівпровідників та ін.

При кафедрі було дві проблемні лабораторії, об’єднані 1961 в Проблемну науково-дослідну лабораторію росту та дослідження фізичних властивостей кристалів. На кафедрі успішно займалися рентгеноструктурними та рентгеноспектральними дослідженнями (Я. Дутчак, Я. Захарко, О. Миколайчук, Й. Кавич, М. Клим), теорією твердого тіла (А. Глауберман, О. Музичук), одержанням та дослідженням напівпровідникових і лужно-галоїдних кристалів (М. Пашковський, О. Лискович, І. Савицький, М. Цаль, Р. Луців та ін.). З 1963 виділено кафедру рентгенометалофізики, а 1964 розділено на кафедри фізики напівпровідників та теорії твердого тіла.

Сьогодні кафедра  готує фахівців з фізики невпорядкованих систем та фізики наноструктур.  Викладачі кафедри читають курси – ядерна фізика, фізика низьких температур, фізика діелектриків, фізика фероїків, прикладна спектроскопія, програмування та математичне моделювання, фізика напівпровідників, термодинаміка і статистична фізика, мікроскопія нанорозмірних об’єктів, фізика нанорозмірних об’єктів, обчислювальні методи у фізиці твердого тіла, експериментальні методи у фізиці твердого тіла, структура невпорядкованих систем, фазові перетворення у твердому тілі та ін. Кафедра. працює на експериментальній базі Науково-технічного і навчального центру низькотемпературних досліджень. Діють навчальні лабораторії з фізики і технології наноструктур, фізики і техніки низьких температур, електронографії, електронної мікроскопії, абсорбційної спектроскопії, фотолюмінесценції, фізики фероїків.

Сучасні наукові напрями: фазові переходи в кристалічних фероїках, кристалооптична метрологія, спектроскопія конденсованого стану, фізика і технологія наноструктур, теорія електронних та коливних спектрів кристалічних і аморфних матеріалів, теорія дефектів у топол. невпорядкованих системах, оптичні властивості і зонно-енергетична структура кристалів і нанорозмірних об’єктів, екзоелектронна емісія, транспорт низькоенергетичних електронів у діелектриках. Співробітниками кафедри опубліковано понад 200 наукових статей, зроблено близько 200 доповідей на конференціях. При кафедрі діє аспірантура за спеціальністю фізика напівпровідників і діелектриків.

Кафедра підтримує наукові зв’язки з Ін-том фізики НАН України (м. Київ), Ін-том фізики конденсованого стану (м. Львів), Ін-том фізики напівпровідників НАНУ (м. Київ), Фізико-технічним ін-том низьких температур НАНУ (м. Харків), Ін-том прикладних проблем механіки і математики НАНУ (м. Львів), НВО «Карат» (м. Львів), Київ., Харків., Чернів., Ужгород., Варшав., Вроцлав., Мінськ. ун-тами, Академією ім. Я.Длугоша (м. Ченстохова, Польща), Ун-том м. Анже (Франція), Ун-том м. Кан (Франція), Ін-том ядерних досліджень (Лісабон, Португалія), Інститутом структурних досліджень Ун-ту м. Парми (Італія).

Співробітники

завідувачКАПУСТЯНИК Володимир Богдановичзавідувач
доцентБОВГИРА Олег Вікторовичдоцент
доцентЕЛІЯШЕВСЬКИЙ Юрій Ігоровичдоцент
доцентКУЛИК Богдан Ярославовичдоцент
доцентПОПЕЛЬ Олександр Михайловичдоцент
доцентТУЗЯК Оксана Ярославівнадоцент
доцентТУРКО Борис Ігоровичдоцент
завідувачСЕРКІЗ Роман Ярославовичзавідувач
інженер 2 категоріїСАЛАМАХА Л. П.інженер 2 категорії
аспірантОСТАПЕНКО Наталія А.аспірант

1 курс

3 курс

4 курс

5 курс

6 курс

Викладацький розклад



Методичні матеріали

Дослідження

Навчальна робота на кафедрі фізики твердого тіла

Необхідність підготовки спеціалістів та магістрів за освітнім напрямом 040203 «Фізика» за спеціальністю 7.04020302 і 8.04020302 «Фізика конденсованого стану» у Львівському національному університеті імені Івана Франка була викликана тривалим використання твердотільних матеріалів у різних сферах діяльності людства, яке зумовило їхнє всестороннє вивчення різними фізичними методами. Багатогранність явищ та ефектів, які проявляються у твердих тілах, а також пов’язані з цим практичні застосування зумовили широкий спектр дослідної діяльності у цій галузі. Основні фізичні особливості твердих тіл пов’язані насамперед з такими фізичними явищами, як квантові розмірні ефекти, фазові переходи, надпровідність, магнетизм, електро- та теплопровідність, дифузія тощо. У зв’язку з цим постійно існує потреба у підготовці висококваліфікованих спеціалістів з фізики твердого тіла, які б володіли глибокими фундаментальними знаннями та мали практичні навики досліджень. Незважаючи на те, що в Україні готуються фахівці з фізики, їхня підготовка не відповідає цим вимогам. Це насамперед пов’язано з тим, що широке коло явищ та процесів у твердих тілах постійно використовується у різних функціональних системах і ефективність такого використання залежить від наявності інформації про їхній фізичний механізм. Крім цього, постійно з’являються нові результати, особливо в області нанотехнологій. Їхнє практичне застосування неможливе без детального вивчення фізичними методами.

У вищих навчальних закладах України існує низка спеціальностей матеріалознавчого профілю, які передбачають підготовку спеціалістів за програмами, в яких певну частку займають питання, пов’язані з фізикою твердого тіла. Однак в цих випадках вивчаються або окремі класи твердих тіл (наприклад, метали) або звертається увага лише на певне коло явищ (наприклад, термічна обробка). Систематизовані і глибокі знання про фізичні властивості твердих тіл у цьому випадку у фахівців не формуються. Присутність на ринку праці України спеціалістів з фізики твердого тіла в поєднанні з інженерами-матеріалознавцями, технологами та іншими фахівцями спорідненого профілю сприяє ефективнішому розв’язанню складних наукових і прикладних задач. Це особливо стосується західних регіонів України, де працює багато дослідницьких та виробничих установ, пов’язаних з пошуком нових матеріалів для електроніки, оптики, машинобудування. Лише в Чернівецькому університеті готують фахівців зі спеціальності «Фізика твердого тіла», що є недостатнім для західноукраїнських областей.

Основою освітньої діяльності зі спеціальності «Фізика твердого тіла» є навчальний план. Згідно з навчальним планом з 2003 р. на фізичному факультеті Львівського національного університету імені Івана Франка студенти навчаються за двома спеціалізаціями – «Фізика наноструктур» і «Фізика невпорядкованих систем».

Кафедрою підготовлені лекційні курси і розгорнуті повнокровні практикуми з усіх курсів, передбачених навчальним планом. У значній мірі кафедра у своїй діяльності спирається на науковий потенціал Науково-технічного і навчального центру низькотемпературних досліджень, на території якого вона розташована. Зважаючи на те, що Центр є найпотужнішою установою в Західній Україні саме в області досліджень твердих тіл, в тому числі, при низьких температурах (починаючи від 4,2 К), підготовка фахівців з фізики твердого тіла отримала новий імпульс. Під керівництвом директора Центру і завідувача кафедри фізики твердого тіла В. Капустяника успішно розвиваються дослідження низькотемпературних фазових переходів у кристалічних фероїках, фізичних властивостей наноструктур і матеріалів для реєстрації і перетворення електромагнітного випромінювання. Завдяки співпраці з Центром працівники кафедри і студенти отримали доступ до складного наукового обладнання, нанотехнологій і мають унікальну можливість проводити дослідження фізичних властивостей твердих тіл при низьких,  в тім числі, при гелієвих температурах.

Значні перспективи розвитку спеціальності пов’язані зі створенням міжфакультетської лабораторії рентгеноструктурних досліджень, розташованої на території фізичного факультету. Для цієї мети спеціально закуплений сучасний порошковий дифрактометр фірми «STOE».

Потужна експериментальна база, створена на фізичному факультеті і в Науково-технічному і навчальному центрі низькотемпературних досліджень, використовується не тільки в суто наукових цілях, але й для проведення лабораторних практикумів і забезпечення наукової роботи студентів.

Щорічно, починаючи з 2005 р., на спеціальність «Фізика твердого тіла» вступає 25 осіб. Серед вступників близько половини – це випускники шкіл, нагороджені медалями, або, ті що отримали диплом з відзнакою після закінчення навчальних закладів І-ІІ рівня акредитації. В переважній своїй більшості вступниками на дану спеціальність є жителі сільських районів Львівської, Волинської, Тернопільської та Івано-Франківської областей.

Навчальний процес за спеціальністю «Фізика твердого тіла», в тім числі, підготовка курсових і дипломних робіт, реалізуються у низці лабораторій. Кафедра фізики твердого тіла крім власних навчальних лабораторій використовує в навчальному процесі експериментальну базу Науково-технічного і навчального центру низькотемпературних досліджень. НТНЦ низькотемпературних досліджень є єдиною установою в Західній Україні, в якій виробляється рідкий гелій і систематично проводяться дослідження різних фізичних явищ в околі температури 4,2 К.

Лабораторія фізики і технології наноструктур забезпечує практикуми для курсів: «Фізика нанорозмірних об’єктів» і «Експериментальні методи у фізиці твердого тіла». Має обладнання для одержанню тонких плівок металічних, напівпровідникових, діелектричних матеріалів різними методами (резистивний і електронний нагрів, катодне, високочастотне магнетронне розпилення). Розроблені технологічні режими одержання плівок простих і складних оксидів. У лабораторії наявні серійні установки для одержання плівок: ВУП-5М (2 штуки) та УРМ-3. Наноструктури отримують з використанням двоступеневого методу на основі установки для високочастотного магнетронного розпилення і методу газотранспортних реакцій. Крім цього, у лабораторії використовуються: електронна вага WAA-210, мікроінтерферометр МИИ-4, ультразвукова ванна ПСБ-1335-05.

Лабораторія електронографії функціонує на основі електронографа ЕМР-100, що може працювати у режимах проходження електронів через тонкий зразок та відбивання електронів від поверхні масивного зразка. Температурний діапазон роботи електронографа ЕМР-100 складає 293-1000 К. В режимі пропускання електронів проводяться дослідження тонких плівок, товщина яких, в залежності від сполуки, може становити 30-70 нм. Зразки, що використовуються в електронографі у режимі відбивання електронів, отримують методом осадження на лужно-галоїдні монокристалічні підкладки. В результаті досліджень встановлюють тип та якість структури, а також проводять визначення параметрів ґратки. В режимі відбивання електронів монтаж зразків здійснюється шляхом механічного кріплення або наклеювання (піцеїн, віск). В цьому режимі може використовуватися прискорювальна напруга 25, 50, 75, 100 кВ. В режимі відбивання електронів не руйнується поверхня зразка, що дозволяє встановити тип біляповерхневого шару, а також його структурну якість. На основі лабораторії забезпечується читання курсів «Структура невпорядкованих систем» і «Експериментальні методи у фізиці твердого тіла».

Лабораторія електронної мікроскопії забезпечує практикуми для курсів «Мікроскопія нанорозмірних об’єктів», «Фізика нанорозмірних об’єктів»,  «Експериментальні методи у фізиці твердого тіла», «Структура невпорядкованих систем», «Фазові перетворення у твердому тілі».Має растровий електронний мікроскоп-мікроаналізатор РЕММА-102-02. У цій лабораторії проводиться візуалізація наноструктур, спостереження морфології поверхонь у вторинних та пружно-відбитих електронах, а також здійснюється локальний аналіз хімічного складу зразка у відбитих електронах. Джерелом електронів служить вольфрамовий катод. Роздільна здатність в режимі вторинних електронів є не гіршою від 5,0 нм. Електронний мікроскоп дозволяє отримувати збільшення зображення від 10 до 300000. Діапазон зміни прискорювальних напруг 0,2 – 40 кВ. Поряд з цим, мікроскоп-мікроаналізатор РЕММА-102-02 дозволяє проводити якісний та кількісний мікроаналіз спектрометрами хвильової та енергетичної дисперсії з діапазоном аналізованих елементів: від 5B до 92U. Роздільна здатність ∆λ/λ кристал-дифракційного спектрометра на лінії Cu Kα є не гіршою від 5,5×10-3. Роздільна здатність енергодисперсійного рентгенівського мікроаналізу на лінії Mn Kα складає не більше, ніж 143 еВ. Тиск у колоні мікроскопа-мікроаналізатора не перевищує 1,33 мПа.

Лабораторія фізики і техніки низьких температур. В лабораторії експлуатуються дві азотні установки ЗИФ-1002. Потужність виготовлення азоту однієї установки ЗИФ-1002 складає 10 л рідкого азоту на годину. В  лабораторії функціонує установка для зрідження газоподібного гелію КГУ-150/4,5 з потужністю випуску 45 л рідкого гелію на годину. На базі цієї установки змонтовано систему замкнутого обігу рідкого-газоподібного гелію, що дозволяє застосовувати використаний в експерименті газоподібний гелій для повторного зрідження. Крім гелієвих та азотних установок у лабораторії використовується допоміжне обладнання для прогрівання і продування установок, а також ємності для зберігання рідкого азоту та рідкого гелію. У лабораторії фізики і техніки низьких температур систематично ведеться робота зі зрідження гелію та виготовлення рідкого азоту. В лабораторії проводяться лабораторні заняття з курсів «Фізика низьких температур», «Фізика діелектриків», «Експериментальні методи у фізиці твердого тіла».

Лабораторія абсорбційної спектроскопії є провідною у забезпеченні курсів: «Фізика низьких температур», «Фізика діелектриків», «Фізика фероїків», «Прикладна спектроскопія», «Фізика напівпровідників». Дослідження спектрів поглинання в діапазоні 250-900 нм проводяться на основі дзеркального монохроматора ЗМР-3 з набором кварцових юстувальних лінз. Для регуляції температури використовується гелієвий кріостат з температурним регулятором Утрекс К43, що дозволяють змінювати температуру досліджуваного зразка в діапазоні 4,2-400 К з точністю, не нижчою від 0,1 К. Як джерела світлового випромінювання використовуються дейтерієва лампа ДДС-3 і галогенна лампи. З допомогою наявної у лабораторії поляризаційної призми Глана можна досліджувати поляризовані спектри поглинання.

Лабораторія фотолюмінесценції забезпечує практикуми для курсів «Фізика діелектриків», «Фізика фероїків», «Прикладна спектроскопія», «Фізика напівпровідників». Для отримання спектрів фотолюмінесценції використовується монохроматор МДР-12. Для збудження спектрів люмінесценції застосовують:

  • –   дугову ртутну лампу високого тиску;
  • –   ксенонову лампу потужністю 1 кВт;
  • –   водневу лампу потужністю 400 Вт;
  • –   He-Cd лазер з генерацією на довжині хвилі 440 нм;
  • –   азотний лазер з генерацією на довжині хвилі 337 нм;
  • –   галогенну лампу розжарення.

Крім цього використовується ультрафіолетовий лазер з генерацією на довжині хвилі 270 нм. Для низькотемпературних досліджень застосовують гелієвий кріостат з температурним регулятором Утрекс К43, що позволяє змінювати температуру досліджуваного зразка в діапазоні 4,2-320 К з точністю, не нижчою від 0,1 К; 2 азотні кріостати, що дають змогу змінювати температуру досліджуваного зразка в діапазоні 80-500 К. Обладнання лабораторії дозволяє знімати спектри люмінесценції в діапазоні  220 нм – 1,2 мкм, а також отримувати спектри збудження в діапазоні 200 нм – 5 мкм. При отриманні спектрів збудження передбачене їхнє нормування. У цій лабораторії проводяться дослідження вольт-амперних характеристик напівпровідникових плівок.

Лабораторія активаційної спектроскопії є провідною у забезпеченні курсів: «Експериментальні методи у фізиці твердого тіла», «Структура невпорядкованих систем», «Фазові перетворення у твердому тілі».  В лабораторії функціонує комп’ютеризована установка для вимірювання спектрів на базі монохроматора МДР-4, а також спектрофотометра СФ-4А. Для збудження використовується ксенонова лампа, лампа розжарення або джерело високо-енергетичного збудження (рентгенівська установка). Для регуляції температури досліджуваного зразка використовується температурний регулятор Утрекс К24 та гелієвий кріостат з берилієвим вікном, що дає змогу змінювати температури в діапазоні 4,2-300 К з точністю, не нижчою від 0,1 К. Для температурних досліджень в діапазоні 80-500 К в лабораторії використовується азотний кріостат з берилієвим та оптичними вікнами. Обладнання лабораторії дозволяє отримувати спектри термостимульованої деполяризації, термовисвічування, наведеного поглинання (центри забарвлення). В лабораторії можлива реєстрація спектрів в режимі лічби фотонів від ультрафіолетового діапазону до інфрачервоної області.

Лабораторія фізики фероїків  Лабораторія забезпечує практикуми для курсів «Фізика діелектриків», «Фізика фероїків», «Фізика напівпровідників», «Фазові перетворення у твердому тілі».  В лабораторії функціонує установка на основі вимірювача імпендансу МНИПИ-Е7-20, частотний діапазон вимірювання якого складає 25 Гц–1 МГц з амплітудою вимірювального поля до 1 В з пружинним контактним тримачем, що дає змогу вимірювати діелектричні параметри зразка у вказаному частотному діапазоні. В лабораторії створений  кварцовий дилатометр, в якому чутливим елементом для реєстрації зміни лінійних розмірів зразка є повітряний конденсатор змінної ємності. Гелієвий кріостат з температурним регулятором Утрекс К43 забезпечує вимірювання діелектричних параметрів та температурного розширення зразківв діапазоні температур 4,2-320 К з точністю стабілізації температури, не нижчою від 0,1 К. Поляризаційний мікроскоп ЛОМО С-111 дає змогу здійснювати оптико-поляризаційні дослідження доменної структури у сегнетоелектриках та сегнетоеластиках.

Навчальний процес за спеціальністю “Фізика твердого тіла” забезпечують також навчальні лабораторії кафедр експериментальної фізики та фізики металів, а саме:

Лабораторія кристалооптики забезпечує читання курсів: «Фізика діелектриків», «Фазові перетворення у твердому тілі», проведення відповідних лабораторних практикумів, виконання курсових і дипломних робіт.

Для навчальних цілей задіяні такі прилади і установки:

  • –        установка для вимірювання абсолютних п’єзооптичних констант;
  • –        установка для вимірювання комбінованих п’єзооптичних констант методом півхвильових напруг;
  • –        установка для вимірювання температурних змін п’єзооптичних констант на базі  ГЗ-33 і термостата МК-70;
  • –        установка для вимірювання спонтанної поляризації на базі схеми Сойєра-Тауера;
  • –        установка для вимірювання діелектричних констант на базі LCR-моста;
  • –        установка для вимірювання швидкості поверхневих хвиль на базі лазера ЛГН-105, осцилографа СІ-74 і генератора сигналів ГЗ-112;
  • –        дифракційний спектрограф ДФС-8, спектрально-вимірювальний комплекс КСВУ-23, ІЧ-спектрометр, монохроматори, спектрофотометри, мас-спектрометр.

Лазерна лабораторія забезпечує практикум до курсу «Експериментальні методи у фізиці твердого тіла» та виконання курсових і дипломних робіт. Лабораторні роботи виконуються на установках, змонтованих на базі серійних лазерів типу: ЛГ-70, ЛГН-126, ЛГИ-21, ЛГН-106, ЛГН-113, рубіновий лазер К-ЗМ, ексимерний лазер, твердотільний лазер.