Grundlagen Der Festkörperphysik

ISBN-13: 9783642671166 / Niemiecki / Miękka / 2011 / 816 str.

C. Weissmantel; C. Hamann

Opis

Die Festkorperphysik ist in den letzten Jahrzehnten zu einer relativ eigenstandigen und ausserordentlich umfangreichen Disziplin innerhalb der Physik ge'Y0rden. An ihrer weiteren dynamischen Entwicklung wird im internationalen Massstab mit grossen Forschungskapazitaten auf einem hohen theoretischen Niveau und unter Nutzung einer modernen experimentellen Technik gearbeitet. Ein entsprechender wissenschaftlicher Vorlauf gerade auf diesem Gebiet ist auch fur die Volkswirtschaft der DDR von erheblicher Bedeutung, tragen doch die Forschungsergebnisse der Festkorperphysik in immer starkerem Masse zur Entstehung bzw. Vervollkommnung wichtiger Gebiete der Technik bei: Die Halbleitertechnik und die Mikroelektronik leiten sich weitgehend aus der gezielten Nutzung festkorperphysikalischer Erkennt nisse und Methoden ab; aber auch die meisten anderen Zweige der Technik werden durch die Festkorperphysik wissenschaftlich befruchtet. Das gilt beispielsweise fur die Technik der Werkstoffbe- und -verarbeitung, fur den Maschinenbau, die Elektro technik und die Konsumguterindustrie, ferner fur die Filmindustrie, wichtige Teil gebiete der technischen Chemie, wie etwa die Katalyse, oder fur den wissenschaft lichen Geratebau. Indem wissenschaftliche Erkenntnisse uber die Eigenschaften und Veranderungen von Festkorpern gewonnen werden, ergeben sich wachsende Mog lichkeiten fur die Optimierung technischer Prozesse und fur die Entwicklung besserer Werkstoffe und Erzeugnisse. Auf vielen Gebieten, z. B. der Rechentechnik, der Nachrichtentechnik, des Fernsehens, der Konsumelektronik u. a., ist zu verfolgen, wie festkorperphysikalische Forschung zu einer Generationsfolge von immer vollkommene ren Produkten beitragt. Auf diese Weise hat die Festkorperphysik auch massgeblichen Anteil an der Verbesserung der Materialokonomie, der Erhohung der Zuverlassigkeit und des Gebrauchswertes verschiedenster Erzeugnisse."

Spis treści

1. Einführung.- 1.1. Allgemeines zu Aufbau, Eigenschaften und Einsatz fester Stoffe.- 1.2. Gegenstand und Methoden der Festkörperphysik.- 1.3. Klassifikation der Festkörper.- 2. Kristalle.- 2.1. Bindungsarten.- 2.1.1. Ionenbindung (heteropolare Bindung).- 2.1.2. Kovalente (homöopolare) Bindung.- 2.1.3. Metallische Bindung.- 2.1.4. Molekülkristalle.- 2.1.5. Wasserstoffbrückenbindung.- 2.2. Translationsgitter und Kristallsysteme.- 2.2.1. Historisches, Grundbegriffe.- 2.2.2. Bezeichnung von Punkten, Richtungen und Ebenen.- 2.2.3. Symmetrieoperationen im Punktgitter.- 2.2.4. Kristallsysteme und Bravais-Gitter.- 2.3. Kristallstrukturen.- 2.3.1. Einfluß der Basis auf die Kristallsymmetrie.- 2.3.2. Die 32 Kristallklassen.- 2.3.3. Mikrosymmetrie — Raumgruppen.- 2.4. Spezielle Kristallstrukturen.- 2.4.1. Übersicht.- 2.4.2. Kristallstrukturen der Elemente.- 2.4.3. Kristallstrukturen von AB-Verbindungen.- 2.4.4. Einige Beispiele komplizierter Strukturen.- 2.5. Züchtung von Einkristallen.- 2.5.1. Übersicht über die wichtigsten Verfahren.- 2.5.2. Zum Mechanismus des Kristallwachstums.- 2.5.3. Physikalische Reinigung durch Zonenschmelzen.- 2.6. Bindungsenergie der Kristalle.- 2.6.1. Definition und experimentelle Bestimmung.- 2.6.2. Madelung-Zahlen der Ionenkristalle.- 2.6.3. Bestimmung des Abstoßungspotentials aus der Kompressibilität.- 2.6.4. Oberflächenenergie von Kristallen.- 3. Strukturuntersuchung von Festkörpern.- 3.1. Möglichkeiten zur Gewinnung von Informationen über Morphologie, Struktur und chemische Zusammensetzung.- 3.1.1. Wichtige Teilchen- und Welleneigenschaften.- 3.1.2. Unelastische Wechselwirkung und sekundäre Strahlen.- 3.2. Beugung von Wellen im Kristallgitter.- 3.3. Laue-Gleichungen.- 3.4. Reziprokes Gitter.- 3.4.1. Definition.- 3.4.2. Weitere Eigenschaften des reziproken Gitters.- 3.4.3. Ewald-Kugel.- 3.4.4. Ableitung der Bragg-Gleichung.- 3.4.5. Brillouinsche Zonen.- 3.4.6. Fourier-Transformation und k-Raum.- 3.5. Die hauptsächlichen Verfahren der Strukturuntersuchung.- 3.5.1. Elementare Interpretation der Bragg-Gleichung..- 3.5.2. Laue-Verfahren.- 3.5.3. Braggsches Drehkristallverfahren.- 3.5.4. Pulververfahren nach Debye und Scherrer.- 3.6. Intensität der Beugungsmaxima.- 3.6.1. Die wichtigsten Einflußfaktoren.- 3.6.2. Ableitung des Strukturfaktors.- 3.6.3. Beispiele für den Einfluß des Strukturfaktors.- 3.6.4. Atomfaktor.- 4. Realstruktur der Festkörper.- 4.1. Punktdefekte (nulldimensionale Fehlordnung).- 4.1.1. Leerstellen im Gitter.- 4.1.2. Teilchen auf Zwischengitterplätzen.- 4.1.3. Substitutionsstörstellen.- 4.1.4. Punktdefekte in Verbindungen.- 4.1.5. Diffusion von Punktdefekten.- 4.1.6. Ionenleitung in Festkörpern.- 4.1.7. Festkörperreaktivität und Korrosion.- 4.1.8. Strahlenschäden in Festkörpern.- 4.1.9. Nachweis und Bedeutung von Punktdefekten.- 4.2. Versetzungen (eindimensionale Fehlordnung).- 4.2.1. Stufenversetzungen.- 4.2.2. Schraubenversetzungen.- 4.2.3. Allgemeiner Typ der eindimensionalen Fehlordnung.- 4.2.4. Nachweis und Beobachtungen von Versetzungen.- 4.2.5. Eigenschaften von Versetzungen.- 4.2.6. Vervielfachung, Ausheilung und Entstehung von Versetzungen.- 4.2.7. Versetzungsstruktur und Kristallbau.- 4.3. Zwei- und dreidimensionale Baufehler.- 4.3.1. Kleinwinkelkorngrenzen.- 4.3.2. Großwinkelkorngrenzen.- 4.3.3. Dreidimensionale Baufehler.- 4.4. Oberflächen und dünne Schichten fester Stoffe.- 4.4.1. Begriff, Bedeutung, Anwendungen.- 4.4.2. Realstruktur und atomare Prozesse an Oberflächen.- 4.4.3. Keimbildung und Schichtwachstum.- 4.4.4. Die wichtigsten Beschichtungsverfahren.- 4.5. Nicht- oder teilkristalline feste Stoffe.- 4.5.1. Kennzeichnung und Übersicht.- 4.5.2. Gläser und verwandte Stoffe.- 4.5.3. Organische Hochpolymere.- 5. Mechanische und thermische Eigenschaften.- 5.1. Grundlagen der Festkörpermechanik.- 5.1.1. Grundbegriffe.- 5.1.2. Dehnungskomponenten und Verzerrungstensor.- 5.1.3. Spannungskomponenten und Spannungstensor.- 5.1.4. Verallgemeinertes Hookesches Gesetz.- 5.1.5. Deformationsarbeit und elastisches Potential.- 5.1.6. Einfluß der Kristallsymmetrie.- 5.1.7. Kubische Kristalle und isotrope Festkörper.- 5.1.8. Elastische Wellen in Kristallen.- 5.1.9. Einflüsse der Realstruktur.- 5.2. Gitterdynamik des Festkörpers.- 5.2.1. Gitterschwingungen — Phononen.- 5.2.2. Experimenteller Nachweis der Phononen.- 5.2.3. Eindimensionale Behandlung der Gitterschwingungen.- 5.2.4. Lokalisierte Gitterschwingungen im Volumen und an Oberflächen.- 5.3. Spezifische Wärmekapazität von Festkörpern.- 5.3.1. Empirische Grundlagen.- 5.3.2. Allgemeiner Ansatz zur Berechnung von CV.- 5.3.3. Einstein-Modell.- 5.3.4. Theorie der spezifischen Wärmekapazität nach Debye.- 5.3.5. Hinweise zur Gittertheorie der spezifischen Wärmekapazität.- 5.3.6. Methoden der thermischen Analyse von Festkörpern.- 5.4. Wärmeausdehnung — anharmonische Einflüsse.- 5.4.1. Experimentelle Befunde.- 5.4.2. Phänomenologische Beschreibung — Grüneisen-Regel.- 5.4.3. Deutung der thermischen Ausdehnung fester Stoffe.- 5.4.4. Weitere Folgen der Anharmonizität.- 5.4.5. Grüneisen-Parameter.- 5.5. Wärmeleitung in festen Stoffen — Phononenanteil.- 5.5.1. Phänomenologische Beschreibung.- 5.5.2. Phononenmodell der Wärmeleitung.- 5.5.3. N- und U-Prozesse bei der Phonon-Phonon-Wechselwirkung.- 6. Elektronen im Festkörper.- 6.1. Quantenmechanische Grundlagen.- 6.2. Näherung freier Elektronen.- 6.2.1. Grundlagen und Anwendungsbereich.- 6.2.2. Beschreibung der Elektronenzustände und ihre Besetzung im Grundzustand.- 6.2.3. Besetzung der Zustände bei T ? 0.- 6.2.4. Beitrag der Elektronen zur Wärmekapazität des Festkörpers.- 6.2.5. Elektrostatische Abschirmung.- 6.2.6. Elektronenemission.- 6.2.7. Zustände freier Elektronen im Magnetfeld.- 6.3. Elektronen im periodischen Potential.- 6.3.1. Allgemeine Eigenschaften der Lösungen, Bloch-Funktionen.- 6.3.2. Näherung fast freier Elektronen.- 6.3.3. Näherung stark gebundener Elektronen.- 6.4. Eigenschaften und Dynamik der Kristallelektronen.- 6.4.1. Quasiklassische Bewegungsgleichungen.- 6.4.2. Effektive Masse.- 6.4.3. Isolatoren — Halbleiter — Metalle.- 6.4.4. Elektronen — Defektelektronen.- 6.5. Transportvorgänge.- 6.5.1. Grundlagen.- 6.5.2. Boltzmann-Gleichung.- 6.5.3. Elektrische Leitfähigkeit.- 6.5.4. Streuung der Ladungsträger.- 6.5.5. Leitfähigkeit dünner Schichten.- 6.5.6. Wärmeleitfähigkeit.- 6.5.7. Thermoelektrische Effekte.- 6.5.8. Hall-Effekt und magnetische Widerstandsänderung.- 6.5.9. Weitere Transporterscheinungen unter Einwirkung eines Magnetfeldes.- 6.6. Grenzen des Bändermodells.- 7 Halbleiter.- 7.1. Historisches, Begriff und Eigenschaften.- 7.2. Bandstruktur der Halbleiter.- 7.2.1. Standardbänder.- 7.2.2. Bandstrukturen einiger Halbleiter.- 7.2.3. Einfluß der chemischen Fehlordnung auf die Bandstruktur.- 7.2.4. Einfluß der strukturellen Fehlordnung und der Oberfläche auf die Bandstruktur.- 7.2.5. Bändermodell und Makropotentiale.- 7.3. Statistik der freien Ladungsträger im thermodynamischen Gleichgewicht.- 7.3.1. Besetzungswahrscheinlichkeiten der Energiezustände.- 7.3.2. Konzentrationen der Elektronen und Löcher.- 7.3.3. Eigenhalbleiter.- 7.3.4. Störstellenhalbleiter.- 7.3.5. Störstellenhalbleiter mit einer Sorte einwertiger Störstellen.- 7.3.6. Kompensierte Halbleiter.- 7.3.7. Raumladungen und Felder in Halbleitern.- 7.3.8. p/n-Übergang im Gleichgewicht.- 7.4. Halbleiter im Nichtgleichgewicht.- 7.4.1. Generation und Rekombination von Ladungsträgern.- 7.4.2. Quasi-Fermi-Niveaus.- 7.4.3. Bilanzgleichungen.- 7.4.4. Lösungen der Bilanzgleichungen für Sonderfälle.- 7.4.5. Erscheinungen an Kontakten.- 7.4.6. p/n-Übergang im Nichtgleichgewicht.- 7.4.7. Halbleiter bei hohen Feldstärken.- 8. Metalle und metallische Legierungen.- 8.1. Historisches, Begriff und Eigenschaften.- 8.2. Metallische Elemente.- 8.2.1. Metallischer Zustand und Periodensystem.- 8.2.2. Gitterstruktur.- 8.2.3. Polymorphismus durch Temperaturveränderung.- 8.2.4. Polymorphismus durch Druckerhöhung.- 8.3. Metallische Legierungen.- 8.3.1. Kennzeichen einer metallischen Legierung.- 8.3.2. Kristallgemische.- 8.3.3. Mischkristalle.- 8.3.4. Intermetallische Verbindungen.- 8.4. Zustandsdiagramme.- 8.4.1. Gibbssches Phasengesetz.- 8.4.2. Die wichtigsten Zustandsdiagramm-Typen.- 8.4.3. Verwendung von Zustandsdiagrammen.- 8.5. Elektrische Leitfähigkeit von Metallen.- 8.5.1. Elektronensystem in Metallen.- 8.5.2. Fermi-Flächen von Metallen.- 8.5.3. Bandstruktur und Fermi-Flächen spezieller Metalle.- 8.5.4. Elektrische Leitung in Metallen.- 8.6. Supraleiter.- 8.6.1. Die typischen Eigenschaften der Supraleiter.- 8.6.2. Theoretische Überlegungen zur Supraleitung.- 8.6.3. Josephson-Effekte.- 8.6.4. Anwendung von Supraleitern.- 9. Dielektrika und Ferroelektrika.- 9.1. Dielektrische Festkörper.- 9.1.1. Historisches, Bedeutung und typische Eigenschaften.- 9.1.2. Relative Dielektrizitätskonstante.- 9.1.3. Dielektrische Polarisation.- 9.1.4. Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante.- 9.2. Theoretische Grundlagen dielektrischer Eigenschaften von Festkörpern.- 9.2.1. Lokales Feld.- 9.2.2. Theoretische Beschreibung der Polarisation in Festkörpern im Gleichfeld.- 9.2.3. Beschreibung der Polarisation von Festkörpern im Wechselfeld.- 9.3. Leitungsvorgänge in Isolierstoffen.- 9.3.1. Ionenleitung.- 9.3.2. Elektronenleitung bei niedrigen Feldstärken.- 9.3.3. Elektronenleitung bei hohen Feldstärken.- 9.3.4. Durchschlagsmechanismen.- 9.4. Die typischen Eigenschaften der Ferroelektrika.- 9.5. Phänomenologische Beschreibung der Ferroelektrika.- 9.5.1. Potentialfunktion der Ferroelektrika.- 9.5.2. Phasenumwandlungen in festen Körpern.- 9.5.3. Hysteresekurve ferroelektrischer Kristalle.- 9.5.4. Dielektrizitätskonstante ferroelektrischer Kristalle.- 9.5.5. Domänen in ferroelektrischen Kristallen.- 9.5.6. Ferroelektrische Gitterschwingungen.- 9.6. Eigenschaften wichtiger Ferroelektrika.- 9.7. Antiferroelektrika.- 9.8. Piezoelektrizität und verwandte Erscheinungen.- 9.8.1. Grundgleichungen elektromechanischer Effekte.- 9.8.2. Eigenschaften der Piezoelektrika.- 9.8.3. Elektrostriktion.- 9.8.4. Pyroelektrizität.- 10. Magnetische Erscheinungen in festen Stoffen.- 10.1. Diamagnetismus.- 10.1.1. Die typischen Eigenschaften der Magnetwerkstoffe.- 10.1.2. Grundlagen magnetischer Erscheinungen.- 10.1.3. Magnetisches Moment diamagnetischer Stoffe.- 10.1.4. Diamagnetische Festkörper.- 10.2. Paramagnetismus.- 10.2.1. Magnetisches Moment eines Gitterbausteins.- 10.2.2. Elektronensystem im Magnetfeld.- 10.2.3. Van-Vleckscher Paramagnetismus.- 10.2.4. Paramagnetismus quasifreier Elektronen.- 10.2.5. Dia- und Paramagnetismus in Festkörpern.- 10.3. Ferromagnetismus.- 10.3.1. Die typischen Eigenschaften der Ferromagnetika ..- 10.3.2. Hysteresekurve ferromagnetischer Kristalle.- 10.3.3. Ferromagnetische Domänen.- 10.3.4. Curie-Temperatur.- 10.4. Theoretische Vorstellungen zum Ferromagnetismus.- 10.4.1. Heisenberg-Modell.- 10.4.2. Bändertheorie des Ferromagnetismus.- 10.4.3. Spinwellentheorie und Magnonen.- 10.5. Antiferromagnetismus.- 10.6. Ferrimagnetismus.- 10.7. Eigenschaften wichtiger magnetischer Werkstoffe.- 10.8. Magnetische Anisotropie.- 10.9. Magnetostriktion.- 10.10. Elektronenspinresonanz (ESR).- 10.11. Akustische paramagnetische Resonanz (APR).- 10.12. Kernmagnetische Resonanz (NMR).- 10.13. Ergebnisse hochfrequenzspektroskopischer Forschung an Festkörpern.- 11. Optische Eigenschaften der Festkörper.- 11.1. Historisches, Begriff und Bedeutung.- 11.2. Optische Materialgrößen isotroper Festkörper.- 11.2.1. Grundlagen der klassischen Theorie.- 11.2.2. Zurückführung auf Dielektrizitätskonstante und Leitfähigkeit.- 11.2.3. Reflexion bei senkrechter Inzidenz.- 11.2.4. Fresnel-Koeffizienten.- 11.2.5. Meßergebnisse.- 11.2.6. Interpretation der Dispersionskurven.- 11.3. Dünnschichtoptik.- 11.3.1. Bedeutung dünner Schichten für die Optik.- 11.3.2. Transparente Einfachschicht.- 11.3.3. Systeme mehrerer Schichten.- 11.3.4. Beispiele einfacher Schichtsysteme.- 11.3.5. Absorbierende Schichten.- 11.3.6. Polarimetrie (Ellipsometrie).- 11.4. Kristalloptik — nichtlineare Optik.- 11.4.1. Allgemeine Grundlagen.- 11.4.2. Fresnel-Gleichungen — optische Achsen.- 11.4.3. Strahlen- und Normalenflächen.- 11.4.4. Optische Eigenschaften und Kristallstruktur.- 11.4.5. Dichroismus — Polarisationsfilter.- 11.4.6. Nichtlineare Polarisation.- 11.4.7. Erzeugung optischer Oberwellen.- 11.4.8. Phasenanpassung in anisotropen Kristallen.- 11.4.9. Nichtlineare Prozesse als Photon-Photon-Wechselwirkung.- 11.5. Photoeffekte.- 11.5.1. Übersicht.- 11.5.2. Photon-Elektron-Phonon-Wechselwirkung.- 11.5.3. Exzitonen.- 11.5.4. Photoleitung.- 11.5.5. Photoelemente, Photospannungen (Photo-EMK).- 11.5.6. Photochemische Erscheinungen.- 11.5.7. Lumineszenz und Phosphoreszenz.- 11.5.8. Halbleiterlaser, Festkörper-Quantenelektronik.- Sach- und Namenverzeichnis.