Lehrbuch der Experimentalphysik: zum Gebrauch bei akademischen Vorlesungen und zum Selbststudium 6 Festkörper
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Berlin [u.a.]
de Gruyter
2005
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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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