Festkörperphysik

Aktuell und am Experiment orientiert 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. Aktuelle und am Experiment orientierte Darstellung der Festkörperphysik. Vorworte 1 Vorbemerkungen 2 Bindung im Festkörper 2.1 Bindungstypen 2.1.1 Bindungsenergie 2.2 Van-der-Waals-Bindung 2.2.1 Lennard-Jones-Potenzial 2.2.2 Bindungsenergie 2.3 Ionenbindung 2.3.1 Bestimmung der Bindungsenergie 2.3.2 Madelung-Energie 2.4 Kovalente Bindung 2.4.1 H+2 -Molekülion 2.4.2 Wasserstoffmolekül 2.4.3 Kovalente Bindungstypen 2.5 Metallische Bindung 2.6 Wasserstoffbrückenbindung 2.7 Aufgaben 3 Struktur der Festkörper 3.1 Herstellung kristalliner und amorpher Festkörper 3.1.1 Zucht von Einkristallen 3.1.2 Herstellung von Legierungen 3.1.3 Glasherstellung 3.2 Ordnung und Unordnung 3.3 Struktur der Kristalle 3.3.1 Translationsgitter und Kristallsysteme 3.3.2 Cluster und Quasikristalle 3.3.3 Notation und Einfluss der Basis 3.3.4 Einfache Kristallgitter 3.3.5 Wigner-Seitz-Zelle 3.3.6 Nanoröhren 3.3.7 Festkörperoberflächen 3.4 Struktur amorpher Festkörper 3.4.1 Paarverteilungsfunktion 3.5 Aufgaben 4 Strukturbestimmung 4.1 Allgemeine Anmerkungen 4.2 Beugungsexperimente 4.2.1 Streuamplitude 4.3 Fourier-Entwicklung von Punktgittern 4.3.1 Reziprokes Gitter 4.3.2 Brillouin-Zone 4.3.3 Millersche Indizes 4.4 Experimentelle Bestimmung der Kristallstruktur 4.4.1 Ewald-Kugel und Bragg-Bedingung 4.4.2 Strukturfaktor 4.4.3 Atom-Strukturfaktor 4.4.4 Oberflächen und dünne Schichten 4.4.5 Phasenproblem und Reflexbreite 4.5 Streuexperimente an amorphen Festkörpern 4.6 Experimentelle Methoden 4.6.1 Messverfahren 4.6.2 Messungen an Oberflächen und dünnen Filmen 4.7 Aufgaben 5 Strukturelle Defekte 5.1 Punktdefekte 5.1.1 Leerstellen 5.1.2 Farbzentren 5.1.3 Zwischengitteratome 5.1.4 Fremdatome 5.1.5 Atomarer Transport 5.2 Ausgedehnte Defekte 5.2.1 Mechanische Festigkeit 5.2.2 Versetzungen 5.2.3 Korngrenzen 5.3 Defekte in amorphen Festkörpern 5.4 Ordnungs-Unordnungs-Übergang 5.5 Aufgaben 6 Gitterdynamik 6.1 Elastische Eigenschaften 6.1.1 Spannung und Verformung 6.1.2 Elastische Konstanten 6.1.3 Schallausbreitung 6.2 Gitterschwingungen 6.2.1 Gitter mit einatomiger Basis 6.2.2 Gitter mit mehratomiger Basis 6.2.3 Bewegungsgleichung 6.3 Experimentelle Bestimmung von Dispersionskurven 6.3.1 Dynamische Streuung, Phononen 6.3.2 Kohärente inelastische Neutronenstreuung 6.3.3 Debye-Waller-Faktor 6.3.4 Experimentell ermittelte Dispersionskurven 6.3.5 Lichtstreuung 6.4 Spezifische Wärmekapazität 6.4.1 Zustandsdichte der Phononen 6.4.2 Spezifische Wärme in der Debye-Näherung 6.4.3 Spezifische Wärme niederdimensionaler Systeme 6.4.4 Nullpunktsenergie, Phononenzahl 6.5 Schwingungen in amorphen Festkörpern 6.5.1 Wärmekapazität von Gläsern 6.6 Aufgaben 7 Anharmonische Gittereigenschaften 7.1 Zustandsgleichung und thermische Ausdehnung 7.2 Phononenstöße 7.2.1 Drei-Phononen-Prozess 7.2.2 Ultraschallabsorption in Kristallen 7.2.3 Spontaner Phononenzerfall 7.2.4 Ultraschallabsorption in amorphen Festkörpern 7.3 Wärmetransport in dielektrischen Kristallen 7.3.1 Ballistische Ausbreitung von Phononen 7.3.2 Wärmeleitfähigkeit 7.3.3 Phononenstöße 7.3.4 Einfluss von Defekten 7.3.5 Wärmetransport in eindimensionalen Proben 7.4 Wärmeleitfähigkeit amorpher Festkörper 7.5 Aufgaben 8 Elektronen im Festkörper 8.1 Freies Elektronengas 8.1.1 Zustandsdichte 8.1.2 Fermi-Energie 8.2 Spezifische Wärme 8.3 Kollektive Phänomene im Elektronengas 8.3.1 Abgeschirmtes Coulomb-Potenzial 8.3.2 Metall-Isolator-Übergang 8.4 Elektronen im periodischen Potenzial 8.4.1 Bloch-Funktion 8.4.2 Quasi-freie Elektronen 8.4.3 Stark gebundene Elektronen 8.5 Energiebänder 8.5.1 Metalle und Isolatoren 8.5.2 Brillouin-Zonen und Fermi-Flächen 8.5.3 Zustandsdichte 8.5.4 Graphen und Nanoröhren 8.6 Aufgaben 9 Elektronische Transporteigenschaften 9.1 Bewegungsgleichung und effektive Masse 9.1.1 Elektronen als Wellenpakete 9.1.2 Elektronenbewegung in Bändern 9.1.3 Elektronen und Löcher 9.2 Transporteigenschaften 9.2.1 Sommerfeld-Theorie 9.2.2 Boltzmann-Gleichung 9.2.3 Elektrischer Ladungstransport 9.2.4 Streuung von Leitungselektronen 9.2.5 Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit 9.2.6 Eindimensionale Leiter 9.2.7 Quantenpunkte 9.2.8 Luttinger-Flüssigkeit 9.2.9 Wärmetransport in Metallen 9.2.10 Fermi-Funktion im stationären Gleichgewicht 9.3 Elektronen im Magnetfeld 9.3.1 Zyklotronresonanz 9.3.2 Landau-Niveaus 9.3.3 Zustandsdichte im Magnetfeld 9.3.4 De-Haas-van-Alphén-Effekt 9.3.5 Hall-Effekt 9.3.6 Quanten-Hall-Effekt 9.3.7 Quanten-Hall-Effekt in Graphen 9.4 Aufgaben 10 Halbleiter 10.1 Intrinsische kristalline Halbleiter 10.1.1 Bandstruktur, Bandlücke und optische Absorption 10.1.2 Effektive Masse von Elektronen und Löchern 10.1.3 Ladungsträgerdichte 10.2 Dotierte kristalline Halbleiter 10.2.1 Dotierung 10.2.2 Ladungsträgerdichte und Fermi-Niveau 10.2.3 Beweglichkeit und elektrische Leitfähigkeit 10.3 Amorphe Halbleiter 10.3.1 Elektrische Leitfähigkeit 10.3.2 Defektzustände 10.4 Inhomogene Halbleiter 10.4.1 p-n-Übergang 10.4.2 Metall/Halbleiter-Kontakt 10.4.3 Halbleiter-Heterostrukturen und Übergitter 10.5 Bauelemente 10.5.1 Technische Anwendung des p-n-Übergangs 10.5.2 Transistoren 10.5.3 Halbleiterlaser 10.6 Aufgaben 11 Supraleitung 11.1 Phänomenologische Beschreibung 11.1.1 Meißner-Ochsenfeld-Effekt, London-Gleichungen 11.1.2 Thermodynamische Eigenschaften 11.2 Mikroskopische Beschreibung 11.2.1 Cooper-Paare 11.2.2 BCS-Theorie 11.2.3 Nachweis der Energielücke 11.2.4 Stromdurchgang durch Grenzflächen 11.2.5 Kritischer Strom und kritisches Magnetfeld 11.3 Makroskopische Wellenfunktion 11.3.1 Flussquantisierung 11.3.2 Josephson-Effekt 11.4 Ginzburg-Landau-Theorie und Supraleiter 2. Art 11.4.1 Ginzburg-Landau-Theorie 11.4.2 Supraleiter 2. Art und Grenzflächenenergie 11.5 Unkonventionelle Supraleiter 11.5.1 Hochtemperatur-Supraleiter 11.5.2 Schwere-Fermionen-Systeme 11.5.3 Technische Anwendung der Supraleitung 11.6 Aufgaben 12 Magnetismus 12.1 Dia- und Paramagnetismus 12.1.1 Diamagnetismus 12.1.2 Paramagnetismus 12.2 Ferromagnetismus 12.2.1 Molekularfeldnäherung 12.2.2 Austauschwechselwirkung 12.2.3 Band-Ferromagnetismus 12.2.4 Spinwellen 12.2.5 Magnonen 12.2.6 Ferromagnetische Domänen 12.3 Ferri- und Antiferromagnetismus 12.3.1 Ferrimagnetismus 12.3.2 Antiferromagnetismus 12.3.3 Riesen-Magnetowiderstand 12.4 Spingläser 12.5 Aufgaben 13 Dielektrische und optische Eigenschaften 13.1 Dielektrische Suszeptibilität, optische Messgrößen 13.2 Lokales elektrisches Feld 13.3 Elektrische Polarisation 13.3.1 Elektronische Polarisierbarkeit 13.3.2 Ionenpolarisation 13.3.3 Optische Phononen in Ionenkristallen 13.3.4 Dielektrische Funktion von Ionenkristallen 13.3.5 Phonon-Polaritonen 13.3.6 Orientierungspolarisation 13.3.7 Ferroelektrizität 13.3.8 Exzitonen 13.4 Optische Eigenschaften freier Ladungsträger 13.4.1 Elektromagnetischer Wellen in Metallen 13.4.2 Plasmonen 13.5 Aufgaben Index

Das anerkannte Lehrbuch behandelt alle aktuellen Teilgebiete der Festkörperphysik und führt anschaulich in die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten ein. Konsequente Berücksichtigung finden zudem ungeordnete Festkörper, die in der Wissenschaft zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Zur Illustration von experimentellen Ergebnissen zeigt der Autor nicht nur schematische Darstellungen, sondern präsentiert in erster Linie Originaldaten. Hierdurch sollen nicht zuletzt auch die Schwierigkeiten verdeutlicht werden, denen ein Experimentalphysiker in der Praxis gegenübersteht.

Die vorliegende 4. Auflage wurde umfassend überarbeitet und diskutiert u.a. erstmalig unkonventionelle Supraleiter. Neue Übungsaufgaben am Ende der Kapitel ermöglichen die unmittelbare Überprüfung des Gelernten.

 

Das anerkannte Lehrbuch behandelt alle aktuellen Teilgebiete der Festkörperphysik und führt anschaulich in die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten ein. Konsequente Berücksichtigung finden zudem ungeordnete Festkörper, die in der Wissenschaft zunehmend an Bedeutung gewinnen. Zur Illustration von experimentellen Ergebnissen zeigt der Autor nicht nur schematische Darstellungen, sondern präsentiert in erster Linie Originaldaten. Hierdurch sollen nicht zuletzt auch die Schwierigkeiten verdeutlicht werden, denen ein Experimentalphysiker in der Praxis gegenübersteht. Die vorliegende 4. Auflage wurde umfassend überarbeitet und diskutiert u.a. erstmalig unkonventionelle Supraleiter. Neue Übungsaufgaben am Ende der Kapitel ermöglichen die unmittelbare Überprüfung des Gelernten.