Verfügbarkeit: Einführung in die Festkörperphysik

Einführung in die Festkörperphysik:

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Kittel, Charles 1916-2019 (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German English
Veröffentlicht:	München [u.a.] Oldenbourg 2006
Ausgabe:	14., überarb. und erw. Aufl.
Schlagworte:	Festkörperphysik Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	XXII, 754 S. Ill., graph. Darst.
ISBN:	9783486577235 3486577239

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adam_text	Inhaltsverzeichnis Über den Autor.................................. Vorwort...................................... Tabellenverzeichnis................................ 1 Struktur der Kristalle 1 Periodische Anordnungen von Atomen...................... 2 Gitter-Translationsvektoren......................... 4 Basis und Kristallstruktur.......................... 4 Primitive Elementarzelle .......................... 5 Fundamentale Gitterarten............................. 7 Zweidimensionale Gittertypen ....................... 8 Dreidimensionale Gittertypen........................ 9 Indizierung von Kristallebenen.......................... 13 Einfache Kristallstrukturen............................ 15 Natriumchloridstruktur ........................... 15 Cäsiumchloridstruktur............................ 17 Hexagonal Diamantstruktur............................... 20 Zinkblendestruktur.............................. 21 Direkte Abbildung der atomaren Struktur .................... 22 Nichtideale Kristallstrukturen........................... 22 Zufällige Stapelung und Polytypie ..................... 22 Strukturdaten von Kristallen ........................... 23 Zusammenfassung................................. 23 Aufgaben..................................... 26 2 Beugung und reziprokes Gitter 27 Beugung von Wellen am Kristall......................... 28 Bragg-Bedingung.............................. 28 Amplitude der gestreuten Welle.......................... 31 Fourier- Reziproke Gittervektoren.......................... 34 Beugungsbedingungen............................ 35 Laue-Gleichungen.............................. 38 VI Brillouin-Zonen.................................. 39 Reziprokes Gitter des einfach kubischen (sc)-Gitters............ 41 Reziprokes Gitter des kubisch raumzentrierten (bcc)-Gitters........ 42 Reziprokes Gitter des kubisch flächenzentrierten (fcc)-Gitters....... 43 Fourier-Analyse Strukturfaktor des bcc-Gitters........................ 47 Strukturfaktor des fcc-Gitters........................ 48 Atomformfaktor............................... 49 Zusammenfassung................................. 50 Aufgaben..................................... 51 3 Bindungsverhältnisse in Kristallen 55 Edelgaskristalle.................................. 60 Van-der-Waals-Wechselwirkung....................... 62 Repulsive Gitterkonstanten im Gleichgewicht..................... 67 Bindungsenergie............................... 68 Ionenkristalle................................... 69 Elektrostatische Energie oder Madelung-Energie.............. 71 Berechnung der Madelung-Konstanten................... 73 Kovalente Kristalle................................ 76 Metalle ...................................... 78 Wasserstoffbrückenbindung............................ 79 Atomradien.................................... 80 Radien in lonenkristallen.......................... 82 Beschreibung der elastischen Dehnung...................... 83 Dilation Spannungskomponenten........................... 86 Elastische Konstanten der Nachgiebigkeit und Steifigkeit............ 87 Elastische Energiedichte........................... 87 Steifigkeitskonstanten kubischer Kristalle.................. 88 Kompressionsmodul und Kompressibilität................. 90 Elastische Wellen in kubischen Kristallen.................... 91 Wellen in [100]-Richtung.......................... 92 Wellen in [110]-Richtung.......................... 93 Zusammenfassung................................. 95 Aufgaben..................................... 97 4 Phononen Schwingungen in Kristallen mit einatomiger Basis................ 102 Erste Brillouin-Zone............................. 105 Gruppengeschwindigkeit .......................... 106 Inhaltsverzeichnis Langwelliger Grenzfall........................... 107 Experimentelle Kraftkonstanten....................... 107 Gitter mit zwei Atomen in der primitiven Basis ................. 108 Quantisierung elastischer Wellen......................... 113 Impuls der Phononen............................... 114 Inelastische Streuung durch Phononen...................... 114 Zusammenfassung................................. 116 Aufgaben..................................... 117 5 Phononen Gitterbeitrag zur Wärmekapazität......................... 122 Planck-Verteilung.............................. 122 Abzählen der Eigenschwingungen ..................... 124 Zustandsdichte im Eindimensionalen.................... 124 Zustandsdichte im Dreidimensionalen ................... 127 Zustandsdichte im Debye-Modell...................... 128 Debyesches T3-Gesetz ........................... 130 Einstein-Modell für die Zustandsdichte................... 132 Allgemeines Ergebnis für D(uj)....................... 134 Anharmonische Wechselwirkungen in Kristallen................. 137 Wärmeausdehnung ............................. 137 Wärmeleitfähigkeit................................ 139 Wärmewiderstand des Phononengases ................... 140 Umklapp-Prozesse.............................. 143 Kristallfehler................................. 144 Aufgaben..................................... 146 6 Energieniveaus im Eindimensionalen....................... 151 Einfluss der Temperatur auf die Fermi-Dirac-Verteilung............. 153 Freies Elektronengas im Dreidimensionalen................... 154 Wärmekapazität des Elektronengases....................... 158 Experimente zur Wärmekapazität von Metallen .............. 163 Schwere Fermionen............................. 165 Elektrische Leitfähigkeit und Ohmsches Gesetz................. 166 Experimente zum elektrischen Widerstand von Metallen.......... 167 Umklapp-Streuung.............................. 170 Bewegung in Magnetfeldern........................... 172 Hall-Effekt.................................. 173 Thermische Leitfähigkeit von Metallen...................... 175 Verhältnis von thermischer zu elektrischer Leitfähigkeit.......... 176 Aufgaben..................................... 177 VIII 7 Energiebänder 181 Modell des nahezu freien Elektrons........................ 183 Ursprung der Energielücke ......................... 185 Größe der Energielücke........................... 187 Bloch-Funktionen................................. 187 Kronig-Penney-Modell.............................. 188 Wellengleichung eines Elektrons in einem periodischen Potential........ 191 Weiterer Beweis für das Blochsche Theorem................ 194 Quasiimpuls eines Elektrons ........................ 194 Lösung der Hauptgleichung......................... 195 Kronig-Penney-Modell im reziproken Raum................ 196 Näherung des leeren Gitters......................... 198 Näherungslösung nahe einer Zonengrenze................. 199 Anzahl der Niveaus in einem Band........................ 202 Metalle und Isolatoren............................ 203 Zusammenfassung................................. 204 Aufgaben..................................... 204 8 Halbleiterkristalle 207 Bandlücke..................................... 210 Bewegungsgleichungen.............................. 212 Ableitung der Gleichung hk = Löcher.................................... 215 Effektive Masse............................... 219 Physikalische Interpretation der effektiven Masse ............. 220 Effektive Massen in Halbleitern....................... 222 Silizium und Germanium.......................... 224 Ladungsträgerkonzentration bei Eigenleitung .................. 228 Beweglichkeit bei Eigenleitung....................... 231 Störstellenleitung................................. 232 Thermische Ionisierung von Donatoren und Akzeptoren.......... 237 Thermoelektrische Effekte in Halbleitern..................... 238 Halbmetalle.................................... 239 Übergitter..................................... 240 Bloch-Oszillator............................... 240 Zener-Tunneln................................ 241 Zusammenfassung................................. 241 Aufgaben..................................... 242 Inhalts Verzeichnis____________________________________________________ 9 Fermi-Flächen und Metalle 245 Reduziertes Zonenschema.......................... 247 Periodisches Zonenschema......................... 248 Konstruktion von Fermi-Flächen......................... 250 Quasifreie Elektronen............................ 252 Elektronenbahnen, Lochbahnen und offene Bahnen............... 254 Berechnung von Energiebändern......................... 256 Methode der starken Kopplung....................... 256 Wigner-Seitz-Methode............................ 260 Bindungsenergie............................... 262 Pseudopotentialmethoden.......................... 264 Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Fermi-Flächen........ 267 Bahnquantisierung in einem Magnetfeld.................. 268 De-Haas-van-Alphen-Effekt......................... 270 Magnetischer Zusammenbruch....................... 277 Zusammenfassung................................. 278 Aufgaben..................................... 279 10 Supraleitung 283 Experimenteller Überblick............................ 284 Auftreten der Supraleitung ......................... 287 Zerstörung der Supraleitung durch Magnetfelder.............. 287 Meißner-Effekt ............................... 288 Wärmekapazität............................... 291 Energielücke................................. 293 Verhalten im Mikrowellen- und Infrarotbereich............... 294 Isotopeneffekt................................ 295 Theoretischer Überblick.............................. 296 Thermodynamik des supraleitenden Phasenübergangs........... 296 London-Gleichung.............................. 299 Kohärenzlänge................................ 301 BCS-Theorie der Supraleitung ....................... 304 BCS-Grundzustand............................. 305 Flussquantisierung in einem supraleitenden Ring.............. 306 Dauerströme................................. 309 Supraleiter zweiter Art............................ 310 Einteilchen-Tunneln............................. 315 Josephson-Tunneln in Supraleitern..................... 316 Hochtemperatur-Supraleiter............................ 322 Zusammenfassung................................. 322 Aufgaben..................................... 323 X 11 Diamagnetismus und Paramagnetismus 327 Langevin-Gleichung des Diamagnetismus.................... 329 Quantentheorie des Diamagnetismus mononuklearer Systeme.......... 331 Paramagnetismus................................. 331 Quantentheorie des Paramagnetismus ...................... 332 Ionen seltener Erden............................. 335 Hundsche Regeln.............................. 336 Ionen der Eisengruppe............................ 338 Kristallfeldaufspaltung ........................... 338 Auslöschung des Bahndrehimpulses .................... 339 Spektroskopischer Aufspaltungsfaktor................... 341 Van Vleckscher temperaturunabhängiger Paramagnetismus........ 342 Kühlung durch adiabatische Entmagnetisierung................. 343 Kernentmagnetisierung........................... 346 Paramagnetische Suszeptibilität der Leitungselektronen............. 347 Zusammenfassung................................. 349 Aufgaben..................................... 350 12 Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus 355 Ferromagnetische Ordnung............................ 356 Curie-Punkt und Austauschintegral..................... 356 Temperaturabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung........... 359 Sättigungsmagnetisierung am absoluten Nullpunkt............. 362 Magnonen..................................... 364 Thermische Anregung von Magnonen ................... 368 Magnetische Neutronenstreuung......................... 369 Ferrimagnetische Ordnung............................ 371 Curie-Temperatur und Suszeptibilität von Ferrimagneten ......... 373 Antiferromagnetische Ordnung.......................... 374 Suszeptibilität unterhalb der Antiferromagnetische Magnonen...................... 379 Ferromagnetische Domänen ........................... 381 Anisotropieenergie.............................. 383 Übergangsbereich zwischen Domänen................... 384 Ursprung der Domänen........................... 386 Koerzitivfeldstärke und Hysterese...................... 387 Eindomänenpartikel................................ 389 Geomagnetismus und Biomagnetismus................... 390 Magnetkraft-Mikroskopie.......................... 391 Zusammenfassung................................. 392 Aufgaben..................................... 393 Inhaltsverzeichnis 13 Magnetische Resonanz 397 Kernspinresonanz................................. 399 Bewegungsgleichungen........................... 400 Linienbreite.................................... 406 Linienverschmälerung durch Bewegung .................. 407 Hyperfeinaufspaltung............................... 409 Beispiele: Paramagnetische Punktdefekte.................. 412 Knight-Shift................................. 414 Kernquadrupolresonanz.............................. 415 Ferromagnetische Resonanz ........................... 416 Einfluss der Probengestalt.......................... 416 Spinwellen-Resonanz............................ 418 Antiferromagnetische Resonanz ......................... 420 Paramagnetische Elektronenresonanz....................... 422 Austauschverschmälerung.......................... 422 Nullfeldaufspaltung............................. 422 Die Wirkungsweise des Masers.......................... 423 Drei-Niveau-Maser............................. 424 Laser..................................... 425 Zusammenfassung................................. 427 Aufgaben..................................... 427 14 Plasmonen, Polaritonen und Polaronen 431 Dielektrische Funktion des Elektronengases................... 432 Plasmaoptik................................. 433 Dispersionsrelation für elektromagnetische Wellen............. 435 Transversale optische Schwingungen in einem Plasma........... 435 Longitudinale Plasmonen..................................... 439 Elektrostatische Abschirmung .......................... 441 Mottscher Metall-Isolator-Übergang .................... 446 Abschirmung und Phononen in Metallen.................. 448 Polaritonen .................................... 449 LST-Beziehung............................... 453 Elektron-Elektron-Wechselwirkung........................ 456 Fermi-Flüssigkeit.............................. 456 Elektron-Phonon-Wechsel Wirkung: Polaronen.................. 459 Peierls-Instabilität linearer Metalle........................ 461 Zusammenfassung................................. 463 Aufgaben..................................... 464 XII 15 Optische Prozesse und Exzitonen 467 Optische Reflexion................................ 469 Kramers-Kronig-Relationen......................... 470 Elektronische Interband-Übergänge..................... 474 Exzitonen..................................... 475 Frenkel-Exzitonen.............................. 477 Schwach gebundene (Mott-Wannier) Exzitonen .............. 481 Exzitonen-Kondensation zu Elektron-Loch-Tröpfchen (EHD)....... 482 Raman-Effekt in Kristallen............................ 484 Elektronenspektroskopie mit Röntgenstrahlen ............... 488 Energieverlust schneller Teilchen in einem Festkörper.............. 489 Zusammenfassung................................. 491 Aufgaben..................................... 491 16 Dielektrische und ferroelektrische Festkörper 495 Maxwell-Gleichungen............................ 496 Polarisation ................................. 496 Makroskopisches elektrisches Feld........................ 497 Depolarisationsfeld, E ........................... 499 Lokales elektrisches Feld am Ort eines Atoms.................. 501 Lorentz-Feld, E2............................... 503 Feld der Dipole innerhalb eines Hohlraums, £ 3 .............. 504 Dielektrizitätskonstante und Elektronische Polarisierbarkeit....................... 506 Strukturelle Phasenübergänge........................... 509 Ferroelektrische Kristalle............................. 510 Klassifizierung ferroelektrischer Kristalle.................. 511 Verschiebungsübergänge............................. 513 Weiche optische Phononen......................... 516 Landau-Theorie des Phasenübergangs ................... 517 Phasenübergang zweiter Ordnung...................... 518 Phasenübergang erster Ordnung....................... 519 Antiferroelektrizität............................. 521 Ferroelektrische Domänen.......................... 522 Piezoelektrizität............................... 524 Zusammenfassung................................. 525 Aufgaben..................................... 526 17 Oberflächen- und Grenzflächenphysik 531 Rekonstruktion und Relaxation....................... 532 Kristallographie der Oberfläche.......................... 533 Elektronische Struktur der Oberfläche...................... 537 Inhaltsverzeichnis Austrittsarbeit................................ 537 Thermische Elektronenemission....................... 538 Oberflächenzustände............................. 539 Tangentialer Oberflächentransport...................... 540 Magnetischer Widerstand in einem zweidimensionalen Kanal.......... 541 Integraler Quanten-Hall-Effekt (IQHE)................... 543 IQHE in realen Systemen.......................... 545 p-n-Übergänge.................................. 548 Gleichrichtung................................ 549 Solarzellen und Photodetektoren ...................... 551 Schottky-Barrieren.............................. 551 HeteroStrukturen ................................. 552 p-N-Heteroübergänge............................ 553 Halbleiterlaser................................... 555 Leuchtdioden................................... 557 Aufgaben..................................... 558 18 Nanostrukturen 561 Abbildungstechniken für Nanostrukturen..................... 565 Elektronenmikroskopie........................... 566 Optische Mikroskopie............................ 567 Rastertunnel-Mikroskop........................... 569 Rasterkraft-Mikroskop............................ 572 Elektronische Struktur von 1 D-Systemen..................... 574 Eindimensionale Spektroskopie von van-Hove-Singularitäten ................ 576 ID Elektrischer Transport in Leitfähigkeitsquantisierung und Landauer-Formel............. 580 Zwei Barrieren in Serie - Inkohärente Addition und Ohmsches Gesetz................ 586 Lokalisierung ................................ 587 Spannungssonden und der Büttiker-Landauer-Formalismus........ 588 Elektronische Struktur von OD-Systemen..................... 593 Quantisierte Energieniveaus......................... 593 Halbleiter-Nanokristalle........................... 594 Metallische Quantenpunkte......................... 596 Diskrete Ladungszustände.......................... 598 Elektrischer Transport in Coulomb-Oszillationen........................... 601 Spin, Mott-Isolator und Kondo-Effekt.................... 604 XIV Cooper-Paare in supraleitenden Quantenpunkten.............. 606 Schwingungseigenschaften und thermische Eigenschaften............ 607 Quantisierte Schwingungszustände..................... 607 Transversale Schwingungen......................... 609 Wärmekapazität und Wärmetransport.................... 611 Zusammenfassung................................. 613 Aufgaben..................................... 613 19 Nichtkristalline Festkörper 617 Beugungsdiagramme............................... 618 Einatomige amorphe Substanzen...................... 619 Radiale Verteilungsfunktion......................... 620 Struktur von Quarzglas (a-SiO2) ...................... 621 Gläser....................................... 624 Viskosität und Sprung-(Hopping-)Rate................... 625 Amorphe Ferromagnetika............................. 627 Amorphe Halbleiter................................ 628 Niederenergetische Anregungen in amorphen Festkörpern............ 630 Berechnung der Wärmekapazität...................... 630 Wärmeleitfähigkeit ............................. 632 Glasfaseroptik................................... 633 Rayleigh-Streuung.............................. 634 Aufgabe...................................... 635 20 Punktdefekte 637 Leerstellen im Gitter............................... 638 Diffusion ..................................... 642 Metalle.................................... 645 Farbzentren.................................... 646 F-Zentren .................................. 646 Weitere Farbzentren............................. 647 Aufgaben..................................... 650 21 Versetzungen 651 Schubfestigkeit von Einkristallen......................... 652 Gleiten.................................... 654 Versetzungen ................................... 655 Burgers-Vektoren .............................. 658 Spannungsfelder von Versetzungen..................... 659 Kleinwinkelkorngrenzen .......................... 661 Versetzungsdichten ............................. 664 Versetzungsvervielfachung und Gleiten................... 665 Inhaltsverzeichnis____________________________________________________ Festigkeit von Legierungen............................ 667 Versetzungen und Kristallwachstum....................... 669 Whisker Härte von Stoffen................................. 672 Aufgaben..................................... 673 22 Legierungen 675 Allgemeine Betrachtungen............................ 676 Substitutions-Mischkristalle, Hume-Rothery-Regeln............... 679 Ordnung-Unordnungs-Übergang......................... 682 Elementare Theorie der Ordnung...................... 684 Phasendiagramme................................. 687 Legierungen der Übergangsmetalle........................ 689 Kondo-Effekt................................... 692 Aufgaben..................................... 694 Anhang 695 A: Temperaturabhängigkeit der Bragg-Reflexe.................. 696 B: Die Ewaldsche Berechnung der Gittersummen................ 699 C: Quantisierung elastischer Wellen: Phononen................. 704 D: Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion....................... 709 E: Ableitung der dfc/di-Gleichung........................ 712 F: Boltzmannsche Transportgleichung...................... 714 G: Vektorpotential, Feldimpuls und Eichtransformationen............ 719 H: Cooper-Paare.................................. 725 I: J: Elektron-Phonon-Stöße............................. 732 Index 736
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