Einführung in Die Festkörperphysik

ISBN-13: 9783642734182 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 644 str.

Karl-Heinz Hellwege

Opis

In der dritten Auflage wurden neben Verbesserungen im Text- und Abbildungsteil die neuesten Werte der physikal- ischen Fundamentalkonstanten(nach CODATA) ber}cksichtigt. Neu aufgenommen wurde der Quanten-Hall Effekt.Das Buch ist eine Einf}hrung in die Graundlagen der Festk-rper- physik und als Lehrbuch f}r Anf{nger gedacht, auch zum Selbststudium f}r solche Physiker, die sich nicht vorwiegend mit Festk-rperphysik besch{ftigen wollen. Die Darstellung ist deshalb ausf}hrlicher als in einem Repetitorium oder Vorlesungsskript. Zur Selbstkontrolle des Lesers sind zahlreiche Aufgaben gestellt. Vorausgesetzt werden nur die Grundlagen der Quantentheorie und Atomphysik.

Spis treści

A. Einleitung.- 1. Übersicht.- 2. Grundbegriffe und -tatsachen.- B. Statik der Kristallgitter.- 3. Symmetrie.- 3.1. Anisotropie.- 3.2. Punktsymmetriegruppen und Raumgruppen.- 3.3. Begrenzungs- und Netzebenen.- 3.4. Das reziproke Gitter.- 4. Strukturbestimmung mit Interferenzen.- 4.1. Röntgeninterferenzen.- 4.2. Experimentelle Bestimmung von Gitterkonstanten.- 4.3. Intensität der Reflexe und Feinbau der Zelle.- 4.4. Elektronen- und Neutroneninterferenzen.- 4.5. Ergebnisse von Röntgen-Strukturanalysen.- 4.5.1. Isotypie.- 4.5.2. Bauverbände.- 4.5.3. Polymorphie.- 4.5.4. Ionen- und Atomradien.- 5. Fehlordnung in Kristallen.- 5.1. Übersicht.- 5.2. Strukturelle Fehlordnung.- 5.2.1. Punktdefekte.- 5.2.2. Die Anomalie der plastischen Verformung.- 5.2.3. Versetzungen.- 5.2.3.1. Stufenversetzungen.- 5.2.3.2. Sehraubenversetzungen.- 5.2.3.3. Systeme von Versetzungen.- 5.2.3.4. Plastisehe Verformung von Metallen.- 5.2.4. Flächendefekte.- 5.2.4.1. Mosaik-Blockgrenzen in Einkristallen.- 5.2.4.2. Korngrenzen in Vielkristallen.- 5.3. Chemisehe Fehlordnung.- 5.3.1. Übersicht.- 5.3.2. F-Zentren in Alkalihalogenidkristallen.- C. Dynamik der Kristallgitter.- 6. Chemisehe Bindung in Kristallen.- 6.1. Bindungstypen.- 6.2. Gitterenergie von Ionenkristallen.- 6.3. Oberflächenenergien von Ionenkristallen.- 7. Die Elastizität von Kristallen.- 7.1. Phänomenologische Elastizitätstheorie der anisotropen Kontinua.- 7.2. Experimentelle Bestimmung von elastischen Konstanten.- 7.3. Elastizität und Gitterkräfte.- 8. Gitterschwingungen.- 8.1. Eigenschwingungen einer unendlichen linearen Kette.- 8.2. Abzählung der Eigenschwingungen einer linearen AB-Kette.- 8.3. Eigenschwingungen eines Raumgitters.- 8.4. Quantelung der Gitterschwingungen. Phononen.- 8.5. Nichtlineare Kräfte.- 9. Experimentelle Bestimmung von Eigenschwingungen.- 9.1. Ultrarotspektren von Kristallen.- 9.2. Unelastische Streuung von Neutronen und Röntgenphotonen.- 9.3. Brillouin- und Ramanstreuung.- 9.4. Elektronen-Schwingungsspektren.- 10. Das Schwingungssystem im thermischen Gleichgewicht.- 10.1. Statistische Grundlagen.- 10.2. Die Debyesehe Theorie der Schwingungswärme.- 10.3. Vergleich mit der Planekschen Hohlraumstrahlung.- 10.4 Experimentelle Prüfung der Debyesehen Theorie.- 10.5. Vielkörperproblem und modifiziertes Einatom-Modell von Einstein.- D. Kristalle In äußeren Feldern. Makroskopische Beschreibung.- 11. Kristalle 11. Kristalle im elektrischen Feld.- 11.1. Grundlagen. Statisehe Dielektrizitätskonstante.- 11.2. Materie im elektrischen Wechselfeld. Kristalloptik.- 11.3. Multipolstrahlung.- 12. Kristalle im Temperaturfeld.- 12.1. Thermisehe Ausdehnung.- 12.2. Wärmeleitung.- 13. Piezoelektrizität.- E. Ionen in Kristallfeldern.- 14. Qualitative Beschreibung eines Ions im Kristallgitter.- 14.1. Fallunterscheidung und Modell.- 14.2. Atome im homogenen Kondensatorfeld (Stark-Effekt).- 14.3. Ionen im inhomogenen elektrischen Kristallfeld.- 15. Termschema eines Ions im Kristallfeld.- 15.1. Das Kristallfeld.- 15.2. Die Kristallfeldenergie 1. Näherung. Matrixelemente. Beispiel.- 15.3. Kristallfeldzustände und Symmetrieentartung.- 15.4. Der Kramers’sche Satz: Zeitumkehr.- 16. Zeeman-Effekt von Ionen in Kristallen.- 16.1. Hamilton-Operator und Störungsrechnung.- 16.2. Beschreibung durch Spin-Hamilton-Operatoren.- 17. Ionen in schwingenden Kristallen: Elektron-Phonon-Wechsel-wirkung.- 17.1. Schwingungsstruktur der Elektronenterme.- 17.2. Strahlungslose Übergänge.- 17.3. Phononen-Raman-Effekt.- 17.4. Lebensdauer und Breite eines Elektronenterms.- 18. Spektren von Ionen in Kristallfeldern.- 18.1. Auswahlregeln für elektrische Dipolstrahlung.- 18.2. Auswahlregeln für magnetisehe Dipolstrahlung.- 18.3. Beispiele und Ergebnisse aus der Kristallspektroskopie.- 18.3.1. Vorbemerkung zur Analyse von Kristallspektren.- 18.3.2. Spektren von Verbindungen der Seltenen Erden.- 18.3.3. Spektren von Verbindungen mit offenen d-Schalen.- 18.4. Spektren und elektronische spezifische Warme.- F. Magmnetismus von Kristallen.- 19. Maßsysteme. Grundlagen.- 19.1. Maßsysteme.- 19.2. Grundgrößen und Definitionen.- 19.3. Modellmäßige Einteilung der Substanzen.- 20. Diamagnetismus von Isolatoren.- 21. Paramagnetisms von Ionenkristallen.- 21.1. Statistische Grundlagen.- 21.2. Paramagnetisms freier Atome.- 21.3. Magnetisehe Ionen im Kristallfeld.- 21.3.1. Ionen mit offener 3d-Schale.- 21.3.2. Ionen mit offener 4f-Schale.- 22. Kopplung magnetischer Momente untereinander und mit den Gitterschwingungen.- 22.1 Magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung.- 22.2 Elektrisehe Multipol-Wechselwirkung.- 22.3 Austauschweehselwirkung.- 22.3.1. Direkter Austausch.- 22.3.2. Indirekter Austausch.- 22.4. Molekularfeld und Anisotropiefeld.- 23. Paramagnetisehe Relaxation.- 23.1. Makroskopische Beschreibung.- 23.2. Versehiedene Relaxationsarten.- 23.3. Spin-Gitter-Relaxation.- 23.4. Spin-Spin-Relaxation.- 23.5. Kreuzrelaxation.- 23.6. Magnetische Kühlung.- 24. Ferromagnetismus.- 24.1. Grundtatsachen und Modell.- 24.2. Die Molekularfeldnäherung.- 24.3. Ferromagnetisehe Spinwellen.- 24.3.1. Die lineare Spinkette mit isotropem Austausch.- 24.3.2. Spinwellen im Raumgitter.- 24.3.3. Magnonen im thermischen Gleichgewicht.- 24.3.4. Experimenteller Nachweis von Spinwellen.- 24.4. Anisotropic und Domänenstruktur.- 24.4.1. Ferromagnetisehe Anisotropie.- 24.4.2. Domänenstruktur.- 25. Antiferromagnetismus.- 25.1. Kollinear-antiferromagnetische Strukturen mit z wei Untergittern.- 25.1.1. Beispiele.- 25.1.2. Molekularfeldnäherung.- 26. Kompliziertere magnetische Strukturen. Ferrimagnetismus.- 26.1. Antiferromagnetismus mit verkanteten Spins.- 26.2. Modulierte Strukturen in Selten-Erd-Metallen.- 26.3. Ferrimagnetische Strukturen.- 26.3.1. Ferrite. Molekularfeldnäherung.- 26.3.2. Granate.- 26.3.3. Selten-Erd-Perowskite.- 27. Ferrimagnetische und antiferromagnetische Spinwellen.- 27.1. Die lineare AB-Spinkette.- 27.2. Spinwellen im Haumgitter.- G. Elektrische Polarisation von Kristallen.- 28. Grundlagen.- 28.1. Maßsysteme 317 Polarisation von.- 28.2. Grundgrößen und Definitionen 317 Kristallen.- 28.3. Dipolares, inneres und lokales elektrisches Feld.- 29. Dipolmomente und elektrisehe Polarisierbarkeiten. Dispersion.- 29.1. Übersieht.- 29.2. Orientierungspolarisation.- 29.2.1. Statische Elektrisierung und Polarisierbarkeit.- 29.2.2. Orientierungs-Relaxation.- 29.3. Ionen- und Elektronenpolarisation.- 29.3.1. Das Lorentz’sche Modell.- 29.3.2. Elektronische Spektren.- 29.3.3. Schwingungsspektren.- 29.4. Die Gesamtpolarisation.- 30. Kopplung zwischen Lichtwellen und ultrarotaktiven Schwingungen in Ionenkristallen.- 30.1. Freie Schwingungen: Lyddane-Sachs-Teller-Theorem.- 30.2. Erzwungene Schwingungen und anomale Dispersion. Polaritonen.- 31. Spontanpolarisation.- 31.1. Symmetrie und spontane elektrische Polarisation.- 31.2. Ferroelektrizität.- 31.2.1. Phanomenologische Beschreibung.- 31.2.2. Experimentelle Ergebnisse.- 31.2.3. Mikrophysikalisches Modell.- 31.3. Antiferroelektrizität.- H. Leitungselektronen Metalle.- 40. Das Modell: Übersicht.- 41. Einelektronzustände I.- 41.1. Ein Kristallelektron im eindimensionalen Gitter.- 41.1.1 Translationssymmetrie und Bloeh-Zustände.- 41.1.2 Energieschema und Zustandsdichte eines freien Elektrons.- 41.1.3 Das reduzierte Energieschema.- 41.2. Ein Kristallelektron im dreidimensionalen Gitter.- 41.2.1. Translationssymmetrie und Bloeh-Zustände a.- 41.2.2. Der Grenzfall des freien Elektrons.- 41.2.3. Das reduzierte Energieschema.- 42. Das Fermi-Sommerfeld-Gas freier Elektronen.- 42.1. Das Modell.- 42.2. Die Fermi-Fläche.- 42.3. Die thermische Energie.- 42.4. Die magnetischen Eigenschaften.- 42.4.1. Paulischer Spinmagnetismus.- 42.4.2. Elektronenspinresonanz.- 42.4.3. Zyklotronresonanz.- 42.4.4. Landausches Niveauschema.- 42.4.5. Der Bahnmagnetismus.- 43. Das Kristallelektronengas im Gitterpotential.- 43.1 Einelektronzustände II.- 43.1.1 Zeitumkehr.- 43.1.2. Translationssymmetrie b.- 43.2. Energiebänder im eindimensionalen Gitter.- 43.3. Energiebänder im dreidimensionalen Gitter.- 43.3.1. Fermiflächen.- 43.3.2. Struktur der Energiebänder.- 43.3.2. Isolatoren, Halbleiter, Metalle, Schmelzen.- 43.4. Das Teilchenbild der Kristallelektronen: Effektivmassen- Dynamik.- 43.4.1. Dynamik eines Kristallelektrons.- 43.4.2. Ein Kristallelektron im elektrischen Feld.- 43.4.3. Ein Kristallelektron im magnetischen Feld.- 43.3.4. Experimentelle Bestimmung der Fermifläche von Metallen.- 43.4.4.1. Elektromagnetische Zyklotronresonanz und de Haas- van Alphen-Effekt.- 43.4.4.2. Dämpfung von Ultraschall im Magnetfeld.- 43.4.5. Elektronen oder/und Löcher.- 43.5. Optische Eigenschaften und spektroskopische Bestimmung der Bandstruktur.- 43.5.1. Übersicht.- 43.5.2. Interbandübergänge.- 43.6. Grenzflächenprobleme.- 43.6.1. Die Austrittsarbeit.- 43.6.2. Kontakt- und Thermospannung.- 44. Streuung von Leitungselektronen: die elektrische Leitung.- 44.1. Streuprozesse.- 44.1.1. Streuung an Phononen.- 44.1.2. Streuung an Gitterfehlern.- 44.1.3. Elektron-Elektron-Streuung.- 44.2. Die elektrische Leitfähigkeit von Metallen.- 44.2.1. Der Relaxationsmechanismus.- 44.2.2. Das Ohmsehe Gesetz im Gleichfeld.- 44.2.3. Leitfähigkeit im Wechselfeld.- 44.2.3.1. Leitfähigkeit. Skineffekt.- 44.2.3.2. Dielektrizitätskonstante der Leitungselektronen.- 44.2.4. Plasmawellen.- 44.2.5. Leitung in gekreuzten Feldern: galvanomagnetisehe Effekte.- 44.2.5.1. Hall-Effekt.- 44.2.5.2. Magnetische Widerstandsänderung.- 44.2.5.3. Quanten-Hall-Effekt (Naehtrag).- I. Leitungselektronen: Halbleiter.- 45. Homogene Halbleiter.- 45.1. Übersieht und Grundbegriffe.- 45.2.Trägerkonzentrationen und elektrisehe Leitfähigkeit.- 45.2.1. Elektronenverteilung im thermischen Gleichgewicht.- 45.2.2. Die elektrisehe Leitfähigkeit.- 45.3. Galvanomagnetisehe Effekte.- 45.3.1. Hall-Effekt und Beweglichkeiten.- 45.3.2. Magnetische Widerstandsänderung.- 45.4. Zyklotronresonanz und effektive Massen.- 45.5. Optische Eigensehaften.- 45.5.1. Absorption durch freie Ladungsträger.- 45.5.2. Interbandübergänge.- 45.5.3. Störstellenabsorption.- 46. Inhomogene Halbleiter.- 46.1. Diffusion und Rekombination von Ladungsträgern.- 46.2. Der p-n-Übergang.- 46.3. Der p-n-Gleichrichter.- J. Gebundene Zustände in Kristallen.- 47. Einelektronzustande in der LCAO-Näherung.- 48. Exzitonen.- 48.1. Frenkel-Exzitonen.- 48.2. Mott-Wannier-Exzitonen.- 48.3. k-Abhängigkeit, Strahlung und Zerfall von Exzitonen.- 48.4. Resonanzkopplung innerhalb einer Gitterzelle.- 48.5. Exzitonenspektren.- 49. Polaronen.- K. Supraleitung.- 50. Makroskopische Phänomene.- 50.1. Die elektrisehe Leitung im Gleichfeld.- 50.2. Die Magnetisierung.- 50.3. Zwischenzustand und Magnetisierungskurve.- 50.4. Thermodynamische Eigensehaften.- 50.5. Die London’schen Feldgleichungen.- 50.6. Flußquantelung.- 51. Grundlagen und Ergebnisse der BCS-Theorie.- 51.1. Die Cooper-Paare.- 51.2. Der Grundzustand eines Supraleiters bei T = 0 K.- 51.3. Die Energielücke eines Supraleiters bei T = 0 K.- 51.4. Die Energielücke eines Supraleiters bei T = 0 K.- 52. BCS-Theorie und makroskopische Phänomene.- 52.1. Elektrisehe Leitfähigkeit und das kritisehe Magnetfeld.- 52.2. Die thermodynamischen Eigensehaften.- 52.3. Naehweis der Cooper-Paare und des Bindungsmechanismus.- 52.4. Experimented Bestimmung der Energielücke.- 52.4.1. Spezifische Wärme und Übergangstemperatur.- 52.4.2. Optische und Ultrasehall-Absorption.- 52.4.3. Tunnelübergänge von Einzelelektronen.- 52.5. Josephson-Effekte.- 52.5.1. Experimenteller Befund.- 52.5.2. Theoretische Begründung.- 52.6. Deutung des Meißner-Ochsenfeld-EfFektes.- 53. Grenzflächenprobleme.- 53.1. Kohärenzlängen.- 53.2. Die Phasengrenzenergie.- 53.3. Supraleiter 2. Art.- L. Anregungen und Energietransport.- 54. Anregungen.- 55. Wärmeleitung.- 55.1. Grundbegriffe und -tatsachen.- 55.2. Wärmewiderstand durch Phononenstreuung.- 55.2.1. Übersicht.- 55.2.2. Phonon-Phonon- und Oberflächenstreuung.- 55.2.3. Streuung an Gitterfehlern.- 55.2.4. Amorphe und teilkristalline Stoffe.- 55.3. Warmeleitung in magnetischen Kristallen.- 55.4. Warmeleitung in Metallen.- 55.4.1. Warmeleitung im normalleitenden Zustand.- 55.4.2. Warmeleitung im supraleitenden Zustand.- Bildtafeln.- A: Maßsysteme.- B: Konstanten der Atomphysik.- C: Ersatzeinheiten für atomare Energien, Umrechnungstabelle.- D: Ebene elektromagnetische Wellen in Materie, nach der klasisschen Kontinuumstheorie.- 44.2.5.3.Quanten-Hall-Effekt 609.- Literatur.