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E-Book

Festkörperphysik

Autor	Siegfried Hunklinger
Verlag	De Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr	2014
Reihe	De Gruyter Studium
Seitenanzahl	668 Seiten
ISBN	9783486858501
Format	ePUB/PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	49,95 EUR

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

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Inhaltsverzeichnis

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

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