Lehrbuch der Experimentalphysik: zum Gebrauch bei akademischen Vorlesungen und zum Selbststudium 6 Festkörper
Gespeichert in:
| Weitere Verfasser: | , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
de Gruyter
2005
|
| Ausgabe: | 2., überarb. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Literaturangaben |
| Beschreibung: | XVII, 972 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783110174854 3110174855 |
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Datensatz im Suchindex
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|---|---|
| adam_text | Inhalt
1 Grundlagen der Festkörperphysik
Udo Scherz
1.1 Bindungen im Festkörper........................................... 3
1.1.1 Valenzkristalle .................................................... 3
1.1.2 Metalle .......................................................... 5
1.1.3 Ionenkristalle ..................................................... 6
1.1.4 Molekülkristalle und Polymere ...................................... 7
1.1.5 Amorphe Festkörper, Gläser und Keramiken .......................... 8
1.1.6 Biologische Festkörper ............................................. 10
1.1.7 Züchtung von Halbleiterkristallen ................................... 11
1.1.8 Nanostrukturen ................................................... 16
1.2 Mechanische Eigenschaften ......................................... 18
1.2.1 Elastische Konstanten .............................................. 18
1.2.2 Gitterschwingungen ................................................ 20
1.3 Thermische Eigenschaften .......................................... 40
1.3.1 Wärmekapazität .................................................. 41
1.3.2 Thermische Ausdehnung ........................................... 43
1.3.3 Wärmeleitung ..................................................... 44
1.4 Bändermodell ..................................................... 46
1.4.1 Elektronengas .................................................... 52
1.4.2 Bestimmung der Energiebänder ..................................... 54
1.4.3 Grundzustandseigenschaften ........................................ 59
1.5 Elektrische Eigenschaften ........................................... 65
1.5.1 Effektive Masse der Kristallelektronen ............................... 66
1.5.2 Elektrische Leitfähigkeit ............................................ 73
1.5.3 Bilanzgleichungen ................................................. 79
1.6 Optische Eigenschaften ............................................. 82
1.7 Gestörte Halbleiter ................................................ 91
1.7.1 Donatoren, Akzeptoren ............................................ 92
1.7.2 Flache Störstellen ................................................. 94
1.7.3 Oberflächen, Grenzflächen .......................................... 95
1.7.4
1.8 Tiefe Zentren in Halbleitern und Isolatoren ........................... 100
1.8.1 Farbzentren ...................................................... 101
1.8.2 Experimentelle Methoden .......................................... 104
1.8.3 Spezielle Zentren .................................................. 108
X
2 Kristallstukturen
Peter Luger
2.1 Grundlagen ......................................................
2.1.1 Geschichtlicher Überblick ..........................................
2.1.2 Periodizität, Kristallgitter, Gitterkonstanten ........................... 114
2.1.3 Netzebenen, reziprokes Gitter ....................................... 116
2.2 Kristallsymmetrie ................................................. 118
2.2.1 Punktgruppensymmetrieoperationen, Kristallklassen.................... 118
2.2.2 Translationssymmetrie, Bravais-Gitter, Raumgruppen .................. 124
2.2.3 Strukturtypen ..................................................... 128
2.2.4
2.3 Kristallstukturbestimmung mit Beugungsmethoden ..................... 140
2.3.1 Röntgen/Neutronenbeugung an Kristallen (Ergebnisse der Beugungstheorie) 140
2.3.2 Experimentelle Grundlagen der Röntgenbeugung ...................... 156
2.3.3 Pulverdiffraktometrie .............................................. 159
2.3.4 Beugungsexperimente an Einkristallen ................................ 164
2.3.5 Lösung des Phasenproblems ........................................ 174
2.3.6 Gang einer Strukturbestimmung ..................................... 184
2.4 Anwendungen der Kristallstukturanalyse ............................. 187
2.4.1 Kleine Moleküle .................................................. 187
2.4.2 Strukturanalyse bei tiefen Temperaturen .............................. 193
2.4.3 Elektronendichte und
2.4.4 Makromoleküle (Proteine, Virusstrukturen) ........................... 204
3 Fehlordnung in Kristallen
Werner Schilling
3.1 Einführung ....................................................... 219
3.2 Atomare Fehlstellen ............................................... 222
3.2.1 Einteilung und Notation atomarer Fehlstellen ......................... 222
3.2.2 Beispiele für atomare Fehlstellenstrukturen ........................... 223
3.2.3 Strukturbestimmung atomarer Fehlstellen ............................. 226
3.3 Thermische Fehlordnung ........................................... 228
3.3.1 Fehlstellengleichgewichte in einatomaren Substanzen ................... 228
3.3.2 Methoden zum Nachweis thermischer Leerstellen ...................... 231
3.3.3 Fehlstellengleichgewichte in nichtatomaren Substanzen ................. 234
3.4 Platzwechsel atomarer Fehlstellen .................................... 236
3.4.1 Platzwechsel von Leerstellen ........................................ 236
3.4.2 Platzwechsel von Zwischengitteratomen .............................. 238
3.5 Festkörperdiffusion ................................................ 241
3.5.1 Diffussionsgleichungen, Diffusionskoeffizienten ........................ 241
3.5.2 Driftdiffusion ..................................................... 245
3.5.3 Selbstdiffusion und Korrelationsfaktor ............................... 247
3.5.4 Fremdatomdiffusion ............................................... 250
3.5.5 Diffusion in konzentrierten Legierungen .............................. 254
Inhalt
3.6 Bestrahlungsinduzierte Fehlstellen ................................... 257
3.6.1 Der Verlagerungsprozess ........................................... 257
3.6.2 Reaktionen bestrahlungsinduzierter Fehlstellen ........................ 261
3.7 Versetzungen ..................................................... 264
3.7.1
3.7.2 Verzerrungsfelder um Versetzungen .................................. 267
3.7.3 Beobachtung von Versetzungen im Elektronenmikroskop ............... 270
3.7.4 Atomistische Struktur des Versetzungskerns ........................... 274
3.8 Innere Grenzflächen ............................................... 279
3.8.1
3.8.2 Atomistische Strukturen in Krongrenzen ............................. 284
4 Oberflächen
Margret Giesen, Harald Ibach
4.1 Einleitung ........................................................ 291
4.2 Struktur von Oberflächen........................................... 292
4.2.1 Symmetrie von Oberflächen ......................................... 293
4.2.2 Rekonstruktionen von Oberflächen .................................. 295
4.2.3 Notation von Einheitszellen und Überstrukturen ....................... 301
4.2.4 Vizinale Oberflächen und Defekte auf Oberflächen ..................... 303
4.2.5 Wichtige Methoden zur Untersuchung der Struktur von Oberflächen ..... 304
4.3 Grenzflächen als
4.3.1 Die Thermodynamik von Grenzflächen ............................... 308
4.3.2 Kollektive Anregungen ............................................. 318
4.3.3 Elastostatik von Oberflächen ........................................ 321
4.4 Adsorption ....................................................... 327
4.4.1 Allgemeines zu Adsorbatstrukturen .................................. 328
4.4.2 Bindung von Adsorbaten ........................................... 334
4.4.3 Adsorptionsgleichgewichte .......................................... 343
4.4.4 Desorption und Desorptionsspektroskopie ............................ 347
4.5 Quantenzustände an Oberflächen .................................... 351
4.5.1 Vibronische Oberflächenzustände .................................... 351
4.5.2 Elektronenzustände an Oberflächen .................................. 360
4.6 Nichtperiodische Bewegungen von Atomen an Oberflächen - Diffusion und
Fluktuationen .................................................... 366
4.6.1
4.6.2 Absolute Ratentheorie ............................................. 367
4.6.3 Übergang zum Kontinuumsmodell ................................... 369
4.6.4 Ein Beispiel für ein Diffusionsproblem ............................... 371
4.6.5 Ostwald-Reifung .................................................. 373
4.6.6
4.7 Keimung und Wachstum ........................................... 380
4.7.1 Keimbildung fern vom Gleichgewicht ................................ 381
4.7.2 Thermodynamisches Modell der Keimbildung ......................... 384
4.7.3 Wachstum nach der Keimung ....................................... 385
XII Inhalt
4.7.4 Wachstum auf vizinalen Flächen ..................................... 389
4.7.5 Mäander-Instabilitäten von Stufen ................................... 392
4.7.6 Wachstum verspannter Filme ....................................... 395
5 Magnetismus
Burkard
5.1 Grundlagen ...................................................... 401
5.1.1 Maßsysteme, Definitionen und Grundgleichungen ...................... 401
5.1.2 Das magnetische Moment .......................................... 403
5.1.3 Die Spin-Bahn-Wechselwirkung ..................................... 405
5.1.4 Hund sche Regeln ................................................. 405
5.1.5 Die Zeeman-Aufspaltung ........................................... 406
5.2 Ensembles nicht-koppelnder magnetischer Momente.................... 407
5.2.1 Paramagnetismus lokalisierter Momente - klassische Betrachtung ........ 407
5.2.2 Paramagnetismus lokalisierter Momente -quantenmechanische Betrachtung 409
5.2.3 Paramagnetismus von Leitungselektronen ............................. 412
5.2.4 Diamagnetismus .................................................. 414
5.2.5 Kristallfeld-Wechselwirkung ........................................ 415
5.3 Gekoppelte magnetische Momente ................................... 416
5.3.1 Dipol-Dipol-Wechselwirkung ........................................ 416
5.3.2 Direkte Austauschwechselwirkung ................................... 417
5.3.3 Ferromagnetismus lokaler Momente ................................. 422
5.3.4 Itineranter Ferromagnetismus ....................................... 424
5.3.5 Weitere Austausch-Wechselwirkungsmechanismen ...................... 431
5.3.6 Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus ......................... 434
5.3.7 Selten-Erd-Metalle ................................................. 438
5.4 Magnetische Anisotropie ........................................... 439
5.4.1 Formanisotropie .................................................. 440
5.4.2 Magnetokristalline Anisotropie ...................................... 442
5.4.3 Magnetoelastische Anisotropie ...................................... 444
5.5 Magnetooptische Effekte ........................................... 445
5.6 Spindynamik ..................................................... 448
5.6.1 Präzession der Magnetisierung ...................................... 448
5.6.2 Austauschdominierte Spinwellen ..................................... 450
5.6.3 Dipolare Spinwellen ............................................... 453
5.6.4 Messverfahren .................................................... 454
5.6.5 Magnetismus auf der Femtosekunden-Zeitskala ........................ 455
5.7 Domänen und Domänenwände ...................................... 458
5.7.1 Mikromagnetische Grundgleichungen ................................ 458
5.7.2 Block- und
5.7.3 Domänenstrukturen ............................................... 461
5.7.4 Ummagnetisierungseigenschaften und Koerzitivität ..................... 461
5.8 Oberflächenmagnetismus ........................................... 464
5.8.1 Erhöhte magnetische Momente ...................................... 465
5.8.2 Temperaturabhängigkeit ............................................ 467
Inhalt XIII
5.8.3 Grenzflächenanisotropie ............................................ 468
5.8.4 Reorientierungsübergang ........................................... 469
5.9 Zwischenschichtkopplung ........................................... 470
5.9.1 Mikroskopische Modelle für die bilineare Kopplung .................... 471
5.9.2
5.9.3 Exchange-Bias-Effekt .............................................. 474
5.10 Spinabhängiger Transport .......................................... 475
5.10.1 Anisotroper Magnetowiderstand ..................................... 476
5.10.2 Riesenmagnetowiderstand .......................................... 476
5.10.3 Tunnelmagnetowiderstand .......................................... 478
5.10.4 Spin-Ströme ...................................................... 479
5.11 Einige Anwendungen .............................................. 479
5.11.1 Spinventil-Strukturen .............................................. 479
5.11.2
5.11.3 Magnetische Festplatte ............................................. 481
5.11.4 Magnetisches Random-Access-Memory............................... 481
5.12 Ausblick ......................................................... 482
6 Supraleitung
Hubert v. Löhneysen
6.1 Grundlegende Aspekte der Supraleitung .............................. 486
6.1.1 Verschwinden des elektrischen Widerstands ........................... 486
6.1.2 Meißner-Ochsenfeld-Effekt ......................................... 487
6.1.3 Supraleiter 1. und 2. Art ........................................... 488
6.1.4 Auftreten von Supraleitung ......................................... 494
6.2 Phänomenologische Modelle ........................................ 496
6.2.1 Die London-Gleichungen ........................................... 496
6.2.2 Ginzburg-Landau-Theorie .......................................... 499
6.3 Grundzüge der BCS-Theorie ........................................ 504
6.3.1 Cooper-Paare ..................................................... 505
6.3.2 Beispiel für attraktive Wechselwirkung: Elektron-Phonon-Kopphmg ...... 507
6.3.3 BCS-Grundzustand................................................ 508
6.3.4 Endliche Temperaturen und äußere Felder ............................ 510
6.3.5 Quasiteilchenzustandsdichte und Quasiteilchentunneln .................. 514
6.4 Josephson-Effekte ................................................. 519
6.4.1 Phase der makroskopischen Wellenfunktion ........................... 519
6.4.2 Josephson-Gleichungen ............................................ 520
6.4.3
6.4.4 SQUIDs ......................................................... 523
6.5 Spezielle supraleitende Materialien ................................... 524
6.5.1 Supraleiter aus Übergangsmetallen ................................... 524
6.5.2 Supraleiter mit magnetischen Atomen ................................ 526
6.5.3 Supraleitende Kuprate ............................................. 531
XIV Inhalt
7 Halbleiter
Rainer
7.1 Einführung ....................................................... 543
7.2 Warum Halbleiter? Definition der Halbleiter .......................... 545
7.3 Übersicht über die Halbleiter ....................................... 546
7.4 Energiebändermodell und elektronische Halbleitung .................... 548
7.4.1 Bändermodell bekannter Halbleiter .................................. 549
7.4.2 Die effektive Masse ................................................ 550
7.4.3 Eigenleitung ...................................................... 550
7.4.4 Störstellenleitung .................................................. 552
7.4.5 Übersicht über die Methoden der Halbleiterdotierung .................. 555
7.5 Das Fermi-Niveau und die Dichten freier Ladungsträger................ 557
7.5.1 Bedeutung des Eigenleitungs-Fermi-Niveaus ........................... 557
7.5.2 Berechnung des Fermi-Niveaus bei Störstellenleitung ................... 561
7.5.3 Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerkonzentration ............... 563
7.6 Transporterscheinungen ............................................ 565
7.6.1 Driftprozesse ..................................................... 565
7.6.2 Diffusionsprozesse ................................................. 569
7.7
7.7.1
7.7.2 Lebensdauer der Ladungsträger im Eigenhalbleiter..................... 571
7.7.3 Lebensdauer der Ladungsträger im Störstellenhalbleiter ................. 573
7.7.4 Abschätzung der Zeitkonstanten ..................................... 576
7.7.5 Energetische tief liegende Niveaus ................................... 577
7.7.6 Messung der Zeitkonstanten, raumladungsbegrenzte Ströme ............. 579
7.7.7 Diffusionslänge ................................................... 584
7.7.8 Der Dember-Effekt ................................................ 584
7.8 Die Halbleiteroberfläche ............................................ 586
7.8.1 Phasengrenze Halbleiter-Gasphase ................................... 587
7.9 Halbleiterbauelemente ............................................. 590
7.9.1 Der Metall-Isolator-Halbleiter -
7.9.2 Bänderschema des MOS-Kondensators ............................... 595
7.9.3 Berechnung der Kapazität des MOS-Kondensators ..................... 598
7.9.4 Einfiuss von Oxid-Ladungen, tiefen Niveaus und Grenzflächenzuständen .. 602
7.10 Technologie des Silizium-MOS-Kondensators.......................... 607
7.11 Raumladungsschichten an Kontaktübergängen ........................ 608
7.11.1 Kontakt zwischen Metall und Halbleiter .............................. 608
7.11.2 Quantenmechanische Einflüsse ...................................... 614
7.11.3 Analyse tiefer Störstellen (DLTS-Verfahren) ........................... 616
7.12 Der Halbleiter-Halbleiter-Kontakt, die Bipolar-Diode .................. 620
7.12.1 Die /-, (/-Kennlinie der pn-Diode .................................... 620
7.12.2 Die Solarzelle ..................................................... 629
7.12.3 Die Photodiode ................................................... 638
7.12.4 Die Tunneldiode .................................................. 640
7.12.5 Halbleiter-HeteroÜbergänge ......................................... 643
Inhalt
7.13 Bauelemente mit mehrfachen Raumladungsschichten ................... 646
7.13.1 Der
7.13.2 Grundschaltungen des
7.13.3 Der MOS-Feldeffekt-Transistor (MOS-FET) .......................... 653
7.13.4 Der Thyristor ..................................................... 668
7.13.5 Der IGBT
7.14 Einige grundlegende Experimente der Halbleiterphysik ................. 674
7.14.1 Messung der Leitfähigkeit .......................................... 674
7.14.2 Der Gunn-Effekt .................................................. 675
7.14.3 Der Hall-Effekt ................................................... 679
7.14.4 Der Quanten-Hall-Effekt ........................................... 682
7.15 Eigenschaften des nichtkristallinen Halbleiters ......................... 686
7.15.1 Eigenschaften des hochdotierten Halbleiters ........................... 687
7.15.2 Eigenschaften polykristalliner Halbleiter .............................. 688
7.15.3 Eigenschaften amorpher Halbleiter ................................... 691
7.16 Ausblick ......................................................... 695
7.16.1 Fragen an die zukünftige Halbleitertechnik ........................... 695
7.16.2 Entwicklungstendenzen von Bauelementen ............................ 695
7.16.3 Sensoren und Aktuatoren,
8 Materialien der Optoelektronik - Grundlagen und Anwendungen
Hartmut Hillmer, Josef Salbeck
8.1 Einleitung ........................................................ 707
8.1.1 Lumineszenz ...................................................... 708
8.2 Grundlagen optischer Eigenschaften der Festkörper .................... 714
8.2.1 Lumineszenzmodelle/Elektronische Energieschemata ................... 715
8.2.2 Dielektrische Materialeigenschaften .................................. 731
8.2.3 Nichtlineare Optik ................................................. 732
8.3 Dielektrische Materialien ........................................... 734
8.3.1 Anorganische Gläser ............................................... 734
8.3.2 Amorphe dielektrische Materialien für Dünnfilm- und Wellenleiterstrukturen 746
8.3.3 Amorphe organische dielektrische Materialien für Faseranwendungen .... 747
8.3.4 Kristalline anorganische dielektrische Materialien ...................... 748
8.3.5 Keramische Werkstoffe ............................................. 752
8.4 (Anorganische) Halbleiter .......................................... 753
8.4.1 Grundlagen ...................................................... 753
8.4.2 Quanteneffekte und verspannte Halbleiter-Heterostukturen .............. 757
8.4.3 Epitaktische Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen ............... 768
8.4.4 Optische Eigenschaften von III/V-Halbleitern ......................... 775
8.4.5 Effiziente Emission auf der Basis von
8.4.6 LEDs auf der Basis anorganischer Halbleiter .......................... 781
8.4.7 Klassifikation von Halbleiterlasern................................... 786
8.4.8 Kantenemittierende Laser mit horizontalem Resonator ................. 788
8.4.9 Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator................ 797
8.4.10 Kantenemitter und VCSEL s mit niederdimensionaler aktiver Zone....... 800
XVI Inhalt
8.4.11 Mikromechanisch abstimmbare Filter und VCSELs .................... 801
8.4.12 Laser mit externem Resonator ...................................... 804
8.5 Organische Festkörper ............................................. 805
8.5.1 Ladungstransport in organischen Festkörpern ......................... 806
8.5.2 Injektion von Ladungsträgern ....................................... 807
8.5.3 Organische Leuchtdioden ........................................... 809
9 Werkstoffe
Ludwig K. Thomas
9.1 Vorbemerkung zum Begriff Werkstoffe ............................... 821
9.2 Strukturen von Werkstoffen ......................................... 822
9.2.1
9.2.2 Makrostruktur .................................................... 823
9.2.3 Oberflächen ...................................................... 824
9.3 Herstellung und Verarbeitung ....................................... 825
9.3.1 Verwendung natürlicher Rohstoffe ................................... 826
9.3.2 Verwendung synthetischer Rohstoffe ................................. 828
9.3.3 Verarbeitung ...................................................... 829
9.4 Zustandsdiagramme ............................................... 836
9.4.1 Thermodynamische Grundlagen ..................................... 836
9.4.2 Beispiele von
9.4.3 Ungleichgewichtszustände .......................................... 846
9.4.4 Umwandlungen von Werkstoffen .................................... 851
9.4.5 Wärmebehandlung von Werkstoffen .................................. 858
9.4.6 Erholung und Rekristallisation ...................................... 859
9.5 Werkstoffprüfung .................................................. 860
9.5.1 Grundlagen ...................................................... 861
9.5.2 Mechanische Prüfverfahren ......................................... 861
9.5.3 Zerstörungsfreie Prüfung ........................................... 866
9.5.4 Thermische Analyse ............................................... 870
9.6 Mechanische Eigenschaften ......................................... 870
9.6.1 Abgrenzung und Überblick ......................................... 870
9.6.2 Elastische Eigenschaften ............................................ 871
9.6.3 Plastische Eigenschaften ............................................ 875
9.6.4 Zeitabhängigkeit der Verformung .................................... 884
9.6.5 Temperaturabhängigkeit der Verformung ............................. 889
9.6.6 Bruch ............................................................ 891
9.6.7 Mechanische Modelle .............................................. 897
9.6.8 Pseudoelastizität (Gedächtnis-Effekt) ................................. 898
9.6.9 Festigkeitssteigerung ............................................... 900
9.6.10 Gewichtsverminderung ............................................. 904
9.6.11 Tribologie ........................................................ 904
9.7 Physikalische Eigenschaften ......................................... 906
9.7.1 Vorbemerkung .................................................... 906
9.7.2 Elektrische Leitfähigkeit............................................ 907
9.7.3 Dielektrische Eigenschaften ......................................... 914
Inhalt XVII
9.7.4 Optische Eigenschaften ............................................. 916
9.7.5 Thermische Eigenschaften .......................................... 920
9.7.6 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Werkstoff..................... 925
9.8 Chemische Eigenschaften ........................................... 926
9.8.1 Chemische Reaktionen im Innern .................................... 927
9.8.2 Chemische Reaktionen an Oberflächen ............................... 928
9.8.3 Schädigung bei hohen Temperaturen ................................. 936
9.8.4 Biologische Verträglichkeit .......................................... 941
9.8.5 Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden ............................. 942
9.8.6 Recycling, Entsorgung, Verwertung von Werkstoffen ................... 943
9.9 Zukünftige Entwicklungen .......................................... 944
Register ................................................................. 951
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