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E-Book

Festkörperphysik

Autor	Siegfried Hunklinger
Verlag	De Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr	2012
Seitenanzahl	627 Seiten
ISBN	9783486711547
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	49,95 EUR

In dem ausgefeilten und klar strukturierten Lehrbuch werden alle aktuellen Teilgebiete der Festkörperphysik behandelt und anschaulich die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten eingeführt. Konsequente Berücksichtigung finden zudem die ungeordneten Festkörper, die in der Wissenschaft zunehmend an Bedeutung gewinnen. An die Kapitel schließen sich Übungsaufgaben an, die die unmittelbare Überprüfung des Gelernten ermöglichen.

Prof. Dr. Siegfried Hunklinger seit 1982 Professor am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort	11
1 Vorbemerkungen	15
2 Bindung im Festkörper	19
2.1 Bindungstypen	20
2.1.1 Bindungsenergie	22
2.1.2 Abstoßung	23
2.2 Van-der-Waals-Bindung	24
2.2.1 Van-der-Waals-Kräfte	24
2.2.2 Lennard-Jones-Potential	25
2.2.3 Bindungsenergie von Edelgaskristallen	26
2.3 Ionenbindung	28
2.3.1 Abschätzung und Messung der Bindungsenergie	28
2.3.2 Bindungsenergie von Ionenkristallen	30
2.4 Kovalente Bindung	32
2.5 Metallische Bindung	40
2.6 Wasserstoffbrückenbindung	44
2.7 Aufgaben	45
3 Struktur der Festkörper	47
3.1 Herstellung von Kristallen und amorphen Festkörpern	48
3.1.1 Einkristallherstellung	48
3.1.2 Legierungen	50
3.1.3 Glasherstellung	57
3.2 Ordnung und Unordnung	59
3.3 Struktur der Kristalle	62
3.3.1 Translationsgitter und Kristallsysteme	62
3.3.2 Cluster und Quasikristalle	68
3.3.3 Notation und Einfluss der Basis	72
3.3.4 Einfache Kristallgitter	75
3.3.5 Wigner-Seitz-Zelle	80
3.3.6 Festkörperoberflächen	81
3.3.7 Kohlenstoff-Nanoröhren	83
3.4 Struktur amorpher Festkörper	84
3.4.1 Paarverteilungsfunktion	85
3.5 Aufgaben	88
4 Strukturbestimmung	91
4.1 Allgemeine Bemerkungen zur Strukturbestimmung	92
4.2 Elementare Streutheorie	95
4.2.1 Streuamplitude	95
4.3 Fourier-Entwicklung von Punktgittern	97
4.3.1 Reziprokes Gitter	98
4.3.2 Brillouin-Zone	100
4.3.3 Millersche Indizes	103
4.4 Streuung an Kristallen	106
4.4.1 Ewald-Kugel und Bragg-Bedingung	108
4.4.2 Strukturfaktor	110
4.4.3 Atom-Strukturfaktor	114
4.4.4 Streuung an Oberflächen oder dünnen Schichten	117
4.4.5 Phasenproblem bei Streuexperimenten	118
4.4.6 Debye-Waller-Faktor	120
4.5 Streuung an amorphen Substanzen	121
4.6 Experimentelle Methoden	127
4.6.1 Messverfahren	129
4.6.2 Messungen an Oberflächen und dünnen Filmen	133
4.7 Aufgaben	136
5 Strukturelle Defekte	139
5.1 Punktdefekte	140
5.1.1 Leerstellen	141
5.1.2 Farbzentren	145
5.1.3 Zwischengitteratome	148
5.1.4 Fremdatome	149
5.1.5 Atomarer Transport	150
5.2 Ausgedehnte Defekte	156
5.2.1 Mechanische Festigkeit	156
5.2.2 Versetzungen	159
5.2.3 Korngrenzen	167
5.3 Defekte in amorphen Materialien	169
5.4 Ordnungs-Unordnungs-Übergang	172
5.5 Aufgaben	175
6 Gitterdynamik	177
6.1 Elastische Eigenschaften	178
6.1.1 Mechanische Spannung und Verformung	178
6.1.2 Elastische Konstanten	181
6.1.3 Schallwellen	182
6.2 Gitterschwingungen	188
6.2.1 Gitter mit einatomiger Basis	189
6.2.2 Gitter mit mehratomiger Basis	194
6.2.3 Bewegungsgleichung der Gitteratome	199
6.3 Experimentelle Bestimmung von Dispersionskurven	202
6.3.1 Dynamische Streuung, Quantisierung der Gitterschwingungen	202
6.3.2 Kohärente inelastische Neutronenstreuung	206
6.3.3 Debye-Waller-Faktor	209
6.3.4 Experimentell ermittelte Dispersionskurven	209
6.3.5 Lichtstreuung	213
6.4 Spezifische Wärmekapazität	218
6.4.1 Zustandsdichte der Phononen	219
6.4.2 Spezifische Wärme in der Debye-Näherung	225
6.4.3 Spezifische Wärme niederdimensionaler Systeme	230
6.4.4 Nullpunktsenergie, Zahl der angeregten Phononen	231
6.5 Schwingungen in amorphen Festkörpern	233
6.5.1 Wärmekapazität von Gläsern bei sehr tiefen Temperaturen	235
6.6 Aufgaben	240
7 Anharmonische Gittereigenschaften	243
7.1 Zustandsgleichung und thermische Ausdehnung	244
7.2 Phonon-Phonon-Wechselwirkung	250
7.2.1 Drei-Phononen-Prozess	250
7.2.2 Ultraschalldämpfung in Kristallen	251
7.2.3 Spontaner Phononenzerfall	256
7.2.4 Ultraschalldämpfung in amorphen Festkörpern	257
7.3 Wärmetransport in dielektrischen Kristallen	260
7.3.1 Ballistische Ausbreitung von Phononen	261
7.3.2 Wärmeleitung	262
7.3.3 Phonon-Phonon-Stöße	264
7.3.4 Streuung an Defekten	267
7.3.5 Wärmetransport in eindimensionalen Proben	269
7.4 Wärmeleitfähigkeit amorpher Festkörper	272
7.5 Aufgaben	275
8 Elektronen im Festkörper	277
8.1 Freies Elektronengas	278
8.1.1 Zustandsdichte	280
8.1.2 Fermi-Energie, Fermi-Kugel	285
8.2 Spezifische Wärme	289
8.3 Kollektive Phänomene im Elektronengas	293
8.3.1 Abgeschirmtes Coulomb-Potential	293
8.3.2 Metall-Isolator-Übergang	295
8.4 Elektronen im periodischen Potential	297
8.4.1 Bloch-Funktion	298
8.4.2 Näherung für quasi-freie Elektronen	302
8.4.3 „Stark gebundene“ Elektronen	309
8.5 Energiebänder	316
8.5.1 Metalle und Isolatoren	316
8.5.2 Brillouin-Zonen und Fermi-Flächen	318
8.5.3 Zustandsdichte	322
8.5.4 „Zweidimensionale“ hexagonale Festkörper: Graphen und Nanoröhren	325
8.6 Aufgaben	330
9 Elektronische Transporteigenschaften	333
9.1 Bewegungsgleichung und effektive Masse	334
9.1.1 Elektronen als Wellenpakete	334
9.1.2 Ladungstransport in Bändern	339
9.1.3 Elektronen und Löcher	342
9.2 Ladungstransport	344
9.2.1 Drude-Modell	344
9.2.2 Sommerfeldsche Theorie	345
9.2.3 Boltzmann-Gleichung	346
9.2.4 Elektrischer Ladungstransport	348
9.2.5 Elektronstreuung	351
9.2.6 Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit	355
9.2.7 Eindimensionale Leiter	359
9.2.8 Quantenpunkte	362
9.2.9 Luttinger-Flüssigkeit	366
9.2.10 Thermische Leitfähigkeit	369
9.2.11 Wiedemann-Franz-Gesetz	371
9.2.12 Fermi-Funktion im stationären Gleichgewicht	372
9.3 Elektronen im Magnetfeld	374
9.3.1 Zyklotronresonanz	374
9.3.2 Landau-Niveaus	379
9.3.3 Zustandsdichte im Magnetfeld	384
9.3.4 De-Haas-van-Alphén-Effekt	387
9.3.5 Hall-Effekt	389
9.3.6 Quanten-Hall-Effekt	392
9.3.7 Quanten-Hall-Effekt in Graphen	399
9.4 Aufgaben	400
10 Halbleiter	403
10.1 Intrinsische kristalline Halbleiter	404
10.1.1 Bandlücke und optische Absorption	404
10.1.2 Effektive Masse von Elektronen und Löchern	408
10.1.3 Ladungsträgerdichte	411
10.2 Dotierte kristalline Halbleiter	416
10.2.1 Dotierung	416
10.2.2 Ladungsträgerdichte und Fermi-Niveau	420
10.2.3 Beweglichkeit und elektrische Leitfähigkeit	427
10.3 Amorphe Halbleiter	430
10.3.1 Elektrische Leitfähigkeit	432
10.3.2 Defektzustände	435
10.4 Inhomogene Halbleiter	440
10.4.1 p-n-Übergang	440
10.4.2 Metall/Halbleiter-Kontakt	449
10.4.3 Halbleiter-Heterostrukturen und Übergitter	451
10.5 Bauelemente	456
10.5.1 Bauelemente basierend auf dem p-n-Übergang	456
10.5.2 Transistoren	459
10.5.3 Halbleiterlaser	463
10.6 Aufgaben	465
11 Supraleitung	467
11.1 Phänomenologische Beschreibung	468
11.1.1 Meißner-Effekt und London-Gleichungen	470
11.1.2 Kritisches Magnetfeld und thermodynamische Eigenschaften	476
11.2 Mikroskopische Beschreibung	480
11.2.1 Cooper-Paare	480
11.2.2 BCS-Grundzustand	486
11.2.3 BCS-Zustand bei endlicher Temperatur	491
11.2.4 Nachweis der Energielücke	492
11.2.5 Kritischer Strom und kritisches Magnetfeld	497
11.3 Makroskopische Wellenfunktion	500
11.3.1 Flussquantisierung	501
11.3.2 Josephson-Effekt	503
11.4 Ginzburg-Landau-Theorie und Supraleiter 2.Art	509
11.4.1 Ginzburg-Landau-Theorie	509
11.4.2 Supraleiter 2.Art und Grenzflächenenergie	512
11.4.3 Hochtemperatur-Supraleiter	517
11.5 Aufgaben	523
12 Magnetismus	525
12.1 Dia- und Paramagnetismus	527
12.1.1 Diamagnetismus	527
12.1.2 Paramagnetismus	528
12.2 Ferromagnetismus	537
12.2.1 Molekularfeldnäherung	538
12.2.2 Austauschwechselwirkung zwischen lokalisierten Elektronen	541
12.2.3 Austauschwechselwirkung im freien Elektronengas	545
12.2.4 Band-Ferromagnetismus	546
12.2.5 Spinwellen	550
12.2.6 Thermodynamik der Magnonen	552
12.2.7 Ferromagnetische Domänen	554
12.3 Ferri- und Antiferromagnetismus	555
12.3.1 Ferrimagnetismus	555
12.3.2 Antiferromagnetismus	556
12.3.3 Riesen-Magnetowiderstand	559
12.4 Spingläser	563
12.5 Aufgaben	567
13 Dielektrische und optische Eigenschaften	569
13.1 Dielektrische Funktion, optische Messungen	570
13.2 Lokales Feld, Clausius-Mossotti-Beziehung	573
13.3 Elektrische Polarisation von Isolatoren	577
13.3.1 Elektronische Polarisierbarkeit	578
13.3.2 Ionenpolarisation	581
13.3.3 Optische Phononen in Ionenkristallen	582
13.3.4 Erzwungene Schwingungen in Ionenkristallen	585
13.3.5 Phonon-Polaritonen	587
13.3.6 Orientierungspolarisation	591
13.3.7 Ferroelektrizität	600
13.3.8 Exzitonen	605
13.4 Optische Eigenschaften freier Ladungsträger	608
13.4.1 Ausbreitung elektromagnetischerWellen in Metallen	609
13.4.2 Longitudinale Schwingungen des Elektronengases: Plasmonen	613
13.5 Aufgaben	617
Index	619

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