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E-Book

Festkörperphysik

AutorSiegfried Hunklinger
VerlagDe Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr2012
Seitenanzahl627 Seiten
ISBN9783486711547
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis49,95 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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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort11
1 Vorbemerkungen15
2 Bindung im Festkörper19
2.1 Bindungstypen20
2.1.1 Bindungsenergie22
2.1.2 Abstoßung23
2.2 Van-der-Waals-Bindung24
2.2.1 Van-der-Waals-Kräfte24
2.2.2 Lennard-Jones-Potential25
2.2.3 Bindungsenergie von Edelgaskristallen26
2.3 Ionenbindung28
2.3.1 Abschätzung und Messung der Bindungsenergie28
2.3.2 Bindungsenergie von Ionenkristallen30
2.4 Kovalente Bindung32
2.5 Metallische Bindung40
2.6 Wasserstoffbrückenbindung44
2.7 Aufgaben45
3 Struktur der Festkörper47
3.1 Herstellung von Kristallen und amorphen Festkörpern48
3.1.1 Einkristallherstellung48
3.1.2 Legierungen50
3.1.3 Glasherstellung57
3.2 Ordnung und Unordnung59
3.3 Struktur der Kristalle62
3.3.1 Translationsgitter und Kristallsysteme62
3.3.2 Cluster und Quasikristalle68
3.3.3 Notation und Einfluss der Basis72
3.3.4 Einfache Kristallgitter75
3.3.5 Wigner-Seitz-Zelle80
3.3.6 Festkörperoberflächen81
3.3.7 Kohlenstoff-Nanoröhren83
3.4 Struktur amorpher Festkörper84
3.4.1 Paarverteilungsfunktion85
3.5 Aufgaben88
4 Strukturbestimmung91
4.1 Allgemeine Bemerkungen zur Strukturbestimmung92
4.2 Elementare Streutheorie95
4.2.1 Streuamplitude95
4.3 Fourier-Entwicklung von Punktgittern97
4.3.1 Reziprokes Gitter98
4.3.2 Brillouin-Zone100
4.3.3 Millersche Indizes103
4.4 Streuung an Kristallen106
4.4.1 Ewald-Kugel und Bragg-Bedingung108
4.4.2 Strukturfaktor110
4.4.3 Atom-Strukturfaktor114
4.4.4 Streuung an Oberflächen oder dünnen Schichten117
4.4.5 Phasenproblem bei Streuexperimenten118
4.4.6 Debye-Waller-Faktor120
4.5 Streuung an amorphen Substanzen121
4.6 Experimentelle Methoden127
4.6.1 Messverfahren129
4.6.2 Messungen an Oberflächen und dünnen Filmen133
4.7 Aufgaben136
5 Strukturelle Defekte139
5.1 Punktdefekte140
5.1.1 Leerstellen141
5.1.2 Farbzentren145
5.1.3 Zwischengitteratome148
5.1.4 Fremdatome149
5.1.5 Atomarer Transport150
5.2 Ausgedehnte Defekte156
5.2.1 Mechanische Festigkeit156
5.2.2 Versetzungen159
5.2.3 Korngrenzen167
5.3 Defekte in amorphen Materialien169
5.4 Ordnungs-Unordnungs-Übergang172
5.5 Aufgaben175
6 Gitterdynamik177
6.1 Elastische Eigenschaften178
6.1.1 Mechanische Spannung und Verformung178
6.1.2 Elastische Konstanten181
6.1.3 Schallwellen182
6.2 Gitterschwingungen188
6.2.1 Gitter mit einatomiger Basis189
6.2.2 Gitter mit mehratomiger Basis194
6.2.3 Bewegungsgleichung der Gitteratome199
6.3 Experimentelle Bestimmung von Dispersionskurven202
6.3.1 Dynamische Streuung, Quantisierung der Gitterschwingungen202
6.3.2 Kohärente inelastische Neutronenstreuung206
6.3.3 Debye-Waller-Faktor209
6.3.4 Experimentell ermittelte Dispersionskurven209
6.3.5 Lichtstreuung213
6.4 Spezifische Wärmekapazität218
6.4.1 Zustandsdichte der Phononen219
6.4.2 Spezifische Wärme in der Debye-Näherung225
6.4.3 Spezifische Wärme niederdimensionaler Systeme230
6.4.4 Nullpunktsenergie, Zahl der angeregten Phononen231
6.5 Schwingungen in amorphen Festkörpern233
6.5.1 Wärmekapazität von Gläsern bei sehr tiefen Temperaturen235
6.6 Aufgaben240
7 Anharmonische Gittereigenschaften243
7.1 Zustandsgleichung und thermische Ausdehnung244
7.2 Phonon-Phonon-Wechselwirkung250
7.2.1 Drei-Phononen-Prozess250
7.2.2 Ultraschalldämpfung in Kristallen251
7.2.3 Spontaner Phononenzerfall256
7.2.4 Ultraschalldämpfung in amorphen Festkörpern257
7.3 Wärmetransport in dielektrischen Kristallen260
7.3.1 Ballistische Ausbreitung von Phononen261
7.3.2 Wärmeleitung262
7.3.3 Phonon-Phonon-Stöße264
7.3.4 Streuung an Defekten267
7.3.5 Wärmetransport in eindimensionalen Proben269
7.4 Wärmeleitfähigkeit amorpher Festkörper272
7.5 Aufgaben275
8 Elektronen im Festkörper277
8.1 Freies Elektronengas278
8.1.1 Zustandsdichte280
8.1.2 Fermi-Energie, Fermi-Kugel285
8.2 Spezifische Wärme289
8.3 Kollektive Phänomene im Elektronengas293
8.3.1 Abgeschirmtes Coulomb-Potential293
8.3.2 Metall-Isolator-Übergang295
8.4 Elektronen im periodischen Potential297
8.4.1 Bloch-Funktion298
8.4.2 Näherung für quasi-freie Elektronen302
8.4.3 „Stark gebundene“ Elektronen309
8.5 Energiebänder316
8.5.1 Metalle und Isolatoren316
8.5.2 Brillouin-Zonen und Fermi-Flächen318
8.5.3 Zustandsdichte322
8.5.4 „Zweidimensionale“ hexagonale Festkörper: Graphen und Nanoröhren325
8.6 Aufgaben330
9 Elektronische Transporteigenschaften333
9.1 Bewegungsgleichung und effektive Masse334
9.1.1 Elektronen als Wellenpakete334
9.1.2 Ladungstransport in Bändern339
9.1.3 Elektronen und Löcher342
9.2 Ladungstransport344
9.2.1 Drude-Modell344
9.2.2 Sommerfeldsche Theorie345
9.2.3 Boltzmann-Gleichung346
9.2.4 Elektrischer Ladungstransport348
9.2.5 Elektronstreuung351
9.2.6 Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit355
9.2.7 Eindimensionale Leiter359
9.2.8 Quantenpunkte362
9.2.9 Luttinger-Flüssigkeit366
9.2.10 Thermische Leitfähigkeit369
9.2.11 Wiedemann-Franz-Gesetz371
9.2.12 Fermi-Funktion im stationären Gleichgewicht372
9.3 Elektronen im Magnetfeld374
9.3.1 Zyklotronresonanz374
9.3.2 Landau-Niveaus379
9.3.3 Zustandsdichte im Magnetfeld384
9.3.4 De-Haas-van-Alphén-Effekt387
9.3.5 Hall-Effekt389
9.3.6 Quanten-Hall-Effekt392
9.3.7 Quanten-Hall-Effekt in Graphen399
9.4 Aufgaben400
10 Halbleiter403
10.1 Intrinsische kristalline Halbleiter404
10.1.1 Bandlücke und optische Absorption404
10.1.2 Effektive Masse von Elektronen und Löchern408
10.1.3 Ladungsträgerdichte411
10.2 Dotierte kristalline Halbleiter416
10.2.1 Dotierung416
10.2.2 Ladungsträgerdichte und Fermi-Niveau420
10.2.3 Beweglichkeit und elektrische Leitfähigkeit427
10.3 Amorphe Halbleiter430
10.3.1 Elektrische Leitfähigkeit432
10.3.2 Defektzustände435
10.4 Inhomogene Halbleiter440
10.4.1 p-n-Übergang440
10.4.2 Metall/Halbleiter-Kontakt449
10.4.3 Halbleiter-Heterostrukturen und Übergitter451
10.5 Bauelemente456
10.5.1 Bauelemente basierend auf dem p-n-Übergang456
10.5.2 Transistoren459
10.5.3 Halbleiterlaser463
10.6 Aufgaben465
11 Supraleitung467
11.1 Phänomenologische Beschreibung468
11.1.1 Meißner-Effekt und London-Gleichungen470
11.1.2 Kritisches Magnetfeld und thermodynamische Eigenschaften476
11.2 Mikroskopische Beschreibung480
11.2.1 Cooper-Paare480
11.2.2 BCS-Grundzustand486
11.2.3 BCS-Zustand bei endlicher Temperatur491
11.2.4 Nachweis der Energielücke492
11.2.5 Kritischer Strom und kritisches Magnetfeld497
11.3 Makroskopische Wellenfunktion500
11.3.1 Flussquantisierung501
11.3.2 Josephson-Effekt503
11.4 Ginzburg-Landau-Theorie und Supraleiter 2.Art509
11.4.1 Ginzburg-Landau-Theorie509
11.4.2 Supraleiter 2.Art und Grenzflächenenergie512
11.4.3 Hochtemperatur-Supraleiter517
11.5 Aufgaben523
12 Magnetismus525
12.1 Dia- und Paramagnetismus527
12.1.1 Diamagnetismus527
12.1.2 Paramagnetismus528
12.2 Ferromagnetismus537
12.2.1 Molekularfeldnäherung538
12.2.2 Austauschwechselwirkung zwischen lokalisierten Elektronen541
12.2.3 Austauschwechselwirkung im freien Elektronengas545
12.2.4 Band-Ferromagnetismus546
12.2.5 Spinwellen550
12.2.6 Thermodynamik der Magnonen552
12.2.7 Ferromagnetische Domänen554
12.3 Ferri- und Antiferromagnetismus555
12.3.1 Ferrimagnetismus555
12.3.2 Antiferromagnetismus556
12.3.3 Riesen-Magnetowiderstand559
12.4 Spingläser563
12.5 Aufgaben567
13 Dielektrische und optische Eigenschaften569
13.1 Dielektrische Funktion, optische Messungen570
13.2 Lokales Feld, Clausius-Mossotti-Beziehung573
13.3 Elektrische Polarisation von Isolatoren577
13.3.1 Elektronische Polarisierbarkeit578
13.3.2 Ionenpolarisation581
13.3.3 Optische Phononen in Ionenkristallen582
13.3.4 Erzwungene Schwingungen in Ionenkristallen585
13.3.5 Phonon-Polaritonen587
13.3.6 Orientierungspolarisation591
13.3.7 Ferroelektrizität600
13.3.8 Exzitonen605
13.4 Optische Eigenschaften freier Ladungsträger608
13.4.1 Ausbreitung elektromagnetischerWellen in Metallen609
13.4.2 Longitudinale Schwingungen des Elektronengases: Plasmonen613
13.5 Aufgaben617
Index619

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