Festkörperphysik (eBook)

Siegfried Hunklinger (Autor)

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2014 | 4. Auflage
668 Seiten
De Gruyter Oldenbourg (Verlag)
978-3-486-85850-1 (ISBN)

Infos

This sophisticated and clearly structured textbook covers all sub-areas of modern solid state physics and clearly introduces the underlying fundamental laws. There is also careful consideration of disordered solid materials, which are gaining in scientific significance.

Each chapter includes study exercises that enable an immediate review of what one has learned.

Siegfried Hunklinger, seit 1982 Professor am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg

Inhalt

Vorworte 11
1 Vorbemerkungen 15
2 Bindung im Festkörper 19
2.1 Bindungstypen 20
2.1.1 Bindungsenergie 22
2.2 Van-der-Waals-Bindung 24
2.2.1 Lennard-Jones-Potenzial 25
2.2.2 Bindungsenergie 26
2.3 Ionenbindung 28
2.3.1 Bestimmung der Bindungsenergie 28
2.3.2 Madelung-Energie 30
2.4 Kovalente Bindung 34
2.4.1 H+2 -Molekülion 34
2.4.2 Wasserstoffmolekül 38
2.4.3 Kovalente Bindungstypen 40
2.5 Metallische Bindung 43
2.6 Wasserstoffbrückenbindung 47
2.7 Aufgaben 48
3 Struktur der Festkörper 51
3.1 Herstellung kristalliner und amorpher Festkörper 52
3.1.1 Zucht von Einkristallen 52
3.1.2 Herstellung von Legierungen 54
3.1.3 Glasherstellung 61
3.2 Ordnung und Unordnung 63
3.3 Struktur der Kristalle 67
3.3.1 Translationsgitter und Kristallsysteme 67
3.3.2 Cluster und Quasikristalle 73
3.3.3 Notation und Einfluss der Basis 77
3.3.4 Einfache Kristallgitter 81
3.3.5 Wigner-Seitz-Zelle 87
3.3.6 Nanoröhren 88
3.3.7 Festkörperoberflächen 90
3.4 Struktur amorpher Festkörper 92
3.4.1 Paarverteilungsfunktion 92
3.5 Aufgaben 96
4 Strukturbestimmung 99
4.1 Allgemeine Anmerkungen 100
4.2 Beugungsexperimente 103
4.2.1 Streuamplitude 103
4.3 Fourier-Entwicklung von Punktgittern 105
4.3.1 Reziprokes Gitter 106
4.3.2 Brillouin-Zone 109
4.3.3 Millersche Indizes 111
4.4 Experimentelle Bestimmung der Kristallstruktur 115
4.4.1 Ewald-Kugel und Bragg-Bedingung 117
4.4.2 Strukturfaktor 119
4.4.3 Atom-Strukturfaktor 123
4.4.4 Oberflächen und dünne Schichten 126
4.4.5 Phasenproblem und Reflexbreite 127
4.5 Streuexperimente an amorphen Festkörpern 129
4.6 Experimentelle Methoden 134
4.6.1 Messverfahren 137
4.6.2 Messungen an Oberflächen und dünnen Filmen 140
4.7 Aufgaben 144
5 Strukturelle Defekte 147
5.1 Punktdefekte 148
5.1.1 Leerstellen 149
5.1.2 Farbzentren 153
5.1.3 Zwischengitteratome 156
5.1.4 Fremdatome 157
5.1.5 Atomarer Transport 158
5.2 Ausgedehnte Defekte 164
5.2.1 Mechanische Festigkeit 164
5.2.2 Versetzungen 168
5.2.3 Korngrenzen 175
5.3 Defekte in amorphen Festkörpern 177
5.4 Ordnungs-Unordnungs-Übergang 180
5.5 Aufgaben 183
6 Gitterdynamik 185
6.1 Elastische Eigenschaften 186
6.1.1 Spannung und Verformung 187
6.1.2 Elastische Konstanten 189
6.1.3 Schallausbreitung 192
6.2 Gitterschwingungen 198
6.2.1 Gitter mit einatomiger Basis 199
6.2.2 Gitter mit mehratomiger Basis 204
6.2.3 Bewegungsgleichung 209
6.3 Experimentelle Bestimmung von Dispersionskurven 212
6.3.1 Dynamische Streuung, Phononen 212
6.3.2 Kohärente inelastische Neutronenstreuung 217
6.3.3 Debye-Waller-Faktor 219
6.3.4 Experimentell ermittelte Dispersionskurven 222
6.3.5 Lichtstreuung 225
6.4 Spezifische Wärmekapazität 230
6.4.1 Zustandsdichte der Phononen 231
6.4.2 Spezifische Wärme in der Debye-Näherung 238
6.4.3 Spezifische Wärme niederdimensionaler Systeme 243
6.4.4 Nullpunktsenergie, Phononenzahl 245
6.5 Schwingungen in amorphen Festkörpern 246
6.5.1 Wärmekapazität von Gläsern 248
6.6 Aufgaben 253
7 Anharmonische Gittereigenschaften 257
7.1 Zustandsgleichung und thermische Ausdehnung 258
7.2 Phononenstöße 264
7.2.1 Drei-Phononen-Prozess 264
7.2.2 Ultraschallabsorption in Kristallen 265
7.2.3 Spontaner Phononenzerfall 270
7.2.4 Ultraschallabsorption in amorphen Festkörpern 271
7.3 Wärmetransport in dielektrischen Kristallen 275
7.3.1 Ballistische Ausbreitung von Phononen 276
7.3.2 Wärmeleitfähigkeit 277
7.3.3 Phononenstöße 279
7.3.4 Einfluss von Defekten 282
7.3.5 Wärmetransport in eindimensionalen Proben 284
7.4 Wärmeleitfähigkeit amorpher Festkörper 287
7.5 Aufgaben 290
8 Elektronen im Festkörper 291
8.1 Freies Elektronengas 292
8.1.1 Zustandsdichte 294
8.1.2 Fermi-Energie 300
8.2 Spezifische Wärme 303
8.3 Kollektive Phänomene im Elektronengas 307
8.3.1 Abgeschirmtes Coulomb-Potenzial 307
8.3.2 Metall-Isolator-Übergang 310
8.4 Elektronen im periodischen Potenzial 312
8.4.1 Bloch-Funktion 312
8.4.2 Quasi-freie Elektronen 317
8.4.3 Stark gebundene Elektronen 325
8.5 Energiebänder 332
8.5.1 Metalle und Isolatoren 332
8.5.2 Brillouin-Zonen und Fermi-Flächen 334
8.5.3 Zustandsdichte 338
8.5.4 Graphen und Nanoröhren 341
8.6 Aufgaben 346
9 Elektronische Transporteigenschaften 349
9.1 Bewegungsgleichung und effektive Masse 350
9.1.1 Elektronen als Wellenpakete 350
9.1.2 Elektronenbewegung in Bändern 356
9.1.3 Elektronen und Löcher 358
9.2 Transporteigenschaften 360
9.2.1 Sommerfeld-Theorie 361
9.2.2 Boltzmann-Gleichung 363
9.2.3 Elektrischer Ladungstransport 365
9.2.4 Streuung von Leitungselektronen 367
9.2.5 Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit 372
9.2.6 Eindimensionale Leiter 376
9.2.7 Quantenpunkte 380
9.2.8 Luttinger-Flüssigkeit 384
9.2.9 Wärmetransport in Metallen 387
9.2.10 Fermi-Funktion im stationären Gleichgewicht 390
9.3 Elektronen im Magnetfeld 393
9.3.1 Zyklotronresonanz 393
9.3.2 Landau-Niveaus 398
9.3.3 Zustandsdichte im Magnetfeld 403
9.3.4 De-Haas-van-Alphén-Effekt 406
9.3.5 Hall-Effekt 409
9.3.6 Quanten-Hall-Effekt 413
9.3.7 Quanten-Hall-Effekt in Graphen 421
9.4 Aufgaben 422
10 Halbleiter 425
10.1 Intrinsische kristalline Halbleiter 427
10.1.1 Bandstruktur, Bandlücke und optische Absorption 427
10.1.2 Effektive Masse von Elektronen und Löchern 431
10.1.3 Ladungsträgerdichte 434
10.2 Dotierte kristalline Halbleiter 439
10.2.1 Dotierung 439
10.2.2 Ladungsträgerdichte und Fermi-Niveau 443
10.2.3 Beweglichkeit und elektrische Leitfähigkeit 450
10.3 Amorphe Halbleiter 453
10.3.1 Elektrische Leitfähigkeit 455
10.3.2 Defektzustände 459
10.4 Inhomogene Halbleiter 463
10.4.1 p-n-Übergang 463
10.4.2 Metall/Halbleiter-Kontakt 472
10.4.3 Halbleiter-Heterostrukturen und Übergitter 474
10.5 Bauelemente 479
10.5.1 Technische Anwendung des p-n-Übergangs 479
10.5.2 Transistoren 484
10.5.3 Halbleiterlaser 487
10.6 Aufgaben 489
11 Supraleitung 491
11.1 Phänomenologische Beschreibung 492
11.1.1 Meißner-Ochsenfeld-Effekt, London-Gleichungen 494
11.1.2 Thermodynamische Eigenschaften 503
11.2 Mikroskopische Beschreibung 506
11.2.1 Cooper-Paare 507
11.2.2 BCS-Theorie 513
11.2.3 Nachweis der Energielücke 520
11.2.4 Stromdurchgang durch Grenzflächen 525
11.2.5 Kritischer Strom und kritisches Magnetfeld 526
11.3 Makroskopische Wellenfunktion 529
11.3.1 Flussquantisierung 529
11.3.2 Josephson-Effekt 532
11.4 Ginzburg-Landau-Theorie und Supraleiter 2. Art 538
11.4.1 Ginzburg-Landau-Theorie 538
11.4.2 Supraleiter 2. Art und Grenzflächenenergie 541
11.5 Unkonventionelle Supraleiter 546
11.5.1 Hochtemperatur-Supraleiter 546
11.5.2 Schwere-Fermionen-Systeme 553
11.5.3 Technische Anwendung der Supraleitung 555
11.6 Aufgaben 556
12 Magnetismus 559
12.1 Dia- und Paramagnetismus 561
12.1.1 Diamagnetismus 561
12.1.2 Paramagnetismus 562
12.2 Ferromagnetismus 571
12.2.1 Molekularfeldnäherung 572
12.2.2 Austauschwechselwirkung 576
12.2.3 Band-Ferromagnetismus 581
12.2.4 Spinwellen 585
12.2.5 Magnonen 588
12.2.6 Ferromagnetische Domänen 590
12.3 Ferri- und Antiferromagnetismus 591
12.3.1 Ferrimagnetismus 591
12.3.2 Antiferromagnetismus 592
12.3.3 Riesen-Magnetowiderstand 596
12.4 Spingläser 599
12.5 Aufgaben 603
13 Dielektrische und optische Eigenschaften 605
13.1 Dielektrische Suszeptibilität, optische Messgrößen 606
13.2 Lokales elektrisches Feld 609
13.3 Elektrische Polarisation 613
13.3.1 Elektronische Polarisierbarkeit 614
13.3.2 Ionenpolarisation 618
13.3.3 Optische Phononen in Ionenkristallen 619
13.3.4 Dielektrische Funktion von Ionenkristallen 621
13.3.5 Phonon-Polaritonen 624
13.3.6 Orientierungspolarisation 628
13.3.7 Ferroelektrizität 637
13.3.8 Exzitonen 642
13.4 Optische Eigenschaften freier Ladungsträger 645
13.4.1 Elektromagnetischer Wellen in Metallen 646
13.4.2 Plasmonen 650
13.5 Aufgaben 654
Index 657

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 2.4.2014
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie
• Themenwelt: Technik
• ISBN-10: 3-486-85850-5 / 3486858505
• ISBN-13: 978-3-486-85850-1 / 9783486858501