Festkörperphysik: Einführung in die Grundlagen ; mit 104 Übungen
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2009
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| Ausgabe: | 7. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Springer-Lehrbuch
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| adam_text | Titel: Festkörperphysik
Autor: Ibach, Harald
Jahr: 2009
Inhaltsverzeichnis
1. Die chemische Bindung in Festkörpern 1
1.1 Das Periodensystem 1
1.2 Kovalente Bindung 4
1.3 Die Ionenbindung 9
1.4 Metallische Bindung 13
1.5 Die Wasserstoffbrückenbindung 14
1.6 Die Van der Waals-Bindung 15
Übungen 17
2. Die Struktur von Festkörpern 21
2.1 Translationsgitter 22
2.2 Punktsymmetrien 25
2.3 Die 32 Kristallklassen (Punktgruppen) 27
2.4 Die Bedeutung der Symmetrie 28
2.5 Einfache Kristallstrukturen 31
2.6 Phasendiagramme von Legierungen 36
2.7 Defekte in Festkörpern 46
Übungen 49
3. Die Beugung an periodischen Strukturen 51
3.1 Die allgemeine Beugungstheorie 51
3.2 Periodische Strukturen und reziprokes Gitter 57
3.3 Die Streubedingung bei periodischen Strukturen 58
3.4 Die Braggsche Deutung der Beugungsbedingung 60
3.5 Die Brillouinschen Zonen 63
3.6 Der Strukturfaktor 64
3.7 Methoden der Strukturanalyse 67
Übungen 70
Tafel I: Beugungsexperimente mit verschiedenen Teilchen ... 72
Tafel II: Röntgeninterferometer und Röntgentopographie .... 77
4. Dynamik von Atomen in Kristallen 81
4.1 Das Potential 82
4.2 Die Bewegungsgleichungen 83
4.3 Die lineare zweiatomige Kette 85
4.4 Streuung an zeitlich veränderlichen Strukturen -
Phononenspektroskopie 89
4.5 Elastisches Verhalten von Kristallen 92
Übungen 103
Tafel III: Raman-Spektroskopie 105
XIV Inhaltsverzeichnis
5. Thermische Eigenschaften 111
5.1 Die Zustandsdichte 112
5.2 Thermische Energie eines harmonischen Oszillators ... 115
5.3 Spezifische Wärme 116
5.4 Anharmonische Effekte 119
5.5 Thermische Ausdehnung 120
5.6 Wärmeleitung durch Phononen 123
Übungen 129
Tafel IV: Experimente bei tiefen Temperaturen 130
6. „Freie Elektronen im Festkörper 135
6.1 Das freie Elektronengas im Potentialkasten 136
6.2 Das Fermi-Gas bei 7=0 K 140
6.3 Fermi-Statistik 142
6.4 Spezifische Wärme der Metallelektronen 145
6.5 Elektrostatische Abschirmung
in einem Fermi-Gas - Mott-Übergang 149
6.6 Glühemission aus Metallen 152
Übungen 156
7. Elektronische Bänder in Festkörpern 159
7.1 Allgemeine Symmetrieeigenschaften 160
7.2 Näherung des quasifreien Elektrons 163
7.3 Näherung vom „stark gebundenen Elektron her 168
7.4 Beispiele von Bandstrukturen 173
7.5 Zustandsdichten 177
7.6 Zustandsdichte nichtkristalliner Festkörper 179
Übungen 183
Tafel V: Photoemissionsspektroskopie 185
8. Magnetismus 189
8.1 Dia- und Paramagnetismus 190
8.2 Austauschwechselwirkung 195
8.3 Austauschwechselwirkung zwischen freien Elektronen . 198
8.4 Das Bandmodell für den Ferromagnetismus 200
8.5 Das Temperaturverhalten eines Ferromagneten
im Bandmodell 204
8.6 Ferromagnetische Kopplung bei lokalisierten Elektronen 208
8.7 Antiferromagnetismus 210
8.8 Spinwellen 214
8.9 Kristallanisotropie 218
Übungen 225
Tafel VI: Magnetostatische Spinwellen 226
Tafel VII: Magnetismus in Schichtsystemen und GMR-Effekt 230
9. Bewegung von Ladungsträgern
und Transportphänomene 235
9.1 Bewegung von Ladungsträgern in Bändern -
die effektive Masse 235
Inhaltsverzeichnis XV
9.2 Ströme in Bändern und Defektelektronen 239
9.3 Streuung von Elektronen in Bändern 241
9.4 Boltzmann-Gleichung und Relaxationszeit 245
9.5 Die elektrische Leitfähigkeit von Metallen 250
9.6 Thermoelektrische Effekte 256
9.7 Das Wiedemann-Franz-Gesetz 260
9.8 Elektrische Leitfähigkeit durch lokalisierte Elektronen . 261
9.9 Quantentransport in Nanostrukturen 264
Übungen 280
Tafel VIII: Quantenoszillationen und die Topologie
von Fermi-Flächen 282
10. Supraleitung 287
10.1 Einige Grundphänomene der Supraleitung 287
10.2 Phänomenologische Beschreibung
durch London-Gleichungen 292
10.3 Instabilität des „Fermi-Sees und Cooper-Paare 295
10.4 Der BCS-Grundzustand 300
10.5 Das Anregungsspektrum des Supraleiters 309
10.6 Konsequenzen der BCS-Theorie und Vergleich
mit experimentellen Befunden 314
10.7 Suprastrom und kritischer Strom 318
10.8 Kohärenz des BCS-Grundzustandes
und Meissner-Ochsenfeld-Effekt 322
10.9 Quantisierung des magnetischen Flusses 327
10.10 Supraleiter 2. Art 331
10.11 Neuartige „Hochtemperatur -Supraleiter 338
Übungen 347
Tafel IX: Einelektronen-Tunneln an Supraleitern 349
Tafel X: Cooper-Paar-Tunneln - Josephson-Effekte 356
11. Dielektrische Eigenschaften der Materie 361
11.1 Die dielektrische Funktion 361
11.2 Absorption elektromagnetischer Strahlung 364
11.3 Die dielektrische Funktion für harmonische Oszillatoren 367
11.4 Longitudinale und transversale Eigenschwingungen . . . 370
11.5 Oberflächenwellen eines Dielektrikums 372
11.6 Das Reflexionsvermögen des dielektrischen Halbraums . 374
11.7 Das lokale Feld 375
11.8 Polarisationskatastrophe und Ferroelektrika 378
11.9 Das freie Elektronengas 379
11.10 Interband-Übergänge 382
11.11 Exzitonen 389
11.12 Dielektrische Energieverluste von Elektronen 390
Übungen 394
Tafel XI: Spektroskopie mit Photonen und Elektronen 397
Tafel XII: Infrarot-Spektroskopie 399
Tafel XIII: Die Methode der frustrierten Totalreflexion 401
XVI Inhaltsverzeichnis
12. Halbleiter 403
12.1 Daten einiger wichtiger Halbleiter 404
12.2 Ladungsträgerdichte im intrinsischen Halbleiter 408
12.3 Dotierung von Halbleitern 412
12.4 Ladungsträgerdichte in dotierten Halbleitern 416
12.5 Leitfähigkeit von Halbleitern 421
12.6 Der /?-n-Übergang
und der Metall/Halbleiter-Schottky-Kontakt 427
12.7 Halbleiterheterostrukturen und Übergitter 443
12.8 Wichtige Halbleiterbauelemente 456
Übungen 471
Tafel XIV: Hall-Effekt 473
Tafel XV: Zyklotron-Resonanz bei Halbleitern 475
Tafel XVI: Shubnikov-de Haas-Oszillationen
und Quanten-Hall-Effekt 477
Tafel XVII: Halbleiterepitaxie 483
Tafel XVIII: Präparation von Nanostrukturen 488
Literaturverzeichnis 493
Sachverzeichnis 505
Periodensystem der Elemente (Vordere Einbandrückseite)
Konstanten und Äquivalentwerte (Hintere Einbandrückseite)
|
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Titel: Festkörperphysik
Autor: Ibach, Harald
Jahr: 2009
Inhaltsverzeichnis
1. Die chemische Bindung in Festkörpern 1
1.1 Das Periodensystem 1
1.2 Kovalente Bindung 4
1.3 Die Ionenbindung 9
1.4 Metallische Bindung 13
1.5 Die Wasserstoffbrückenbindung 14
1.6 Die Van der Waals-Bindung 15
Übungen 17
2. Die Struktur von Festkörpern 21
2.1 Translationsgitter 22
2.2 Punktsymmetrien 25
2.3 Die 32 Kristallklassen (Punktgruppen) 27
2.4 Die Bedeutung der Symmetrie 28
2.5 Einfache Kristallstrukturen 31
2.6 Phasendiagramme von Legierungen 36
2.7 Defekte in Festkörpern 46
Übungen 49
3. Die Beugung an periodischen Strukturen 51
3.1 Die allgemeine Beugungstheorie 51
3.2 Periodische Strukturen und reziprokes Gitter 57
3.3 Die Streubedingung bei periodischen Strukturen 58
3.4 Die Braggsche Deutung der Beugungsbedingung 60
3.5 Die Brillouinschen Zonen 63
3.6 Der Strukturfaktor 64
3.7 Methoden der Strukturanalyse 67
Übungen 70
Tafel I: Beugungsexperimente mit verschiedenen Teilchen . 72
Tafel II: Röntgeninterferometer und Röntgentopographie . 77
4. Dynamik von Atomen in Kristallen 81
4.1 Das Potential 82
4.2 Die Bewegungsgleichungen 83
4.3 Die lineare zweiatomige Kette 85
4.4 Streuung an zeitlich veränderlichen Strukturen -
Phononenspektroskopie 89
4.5 Elastisches Verhalten von Kristallen 92
Übungen 103
Tafel III: Raman-Spektroskopie 105
XIV Inhaltsverzeichnis
5. Thermische Eigenschaften 111
5.1 Die Zustandsdichte 112
5.2 Thermische Energie eines harmonischen Oszillators . 115
5.3 Spezifische Wärme 116
5.4 Anharmonische Effekte 119
5.5 Thermische Ausdehnung 120
5.6 Wärmeleitung durch Phononen 123
Übungen 129
Tafel IV: Experimente bei tiefen Temperaturen 130
6. „Freie" Elektronen im Festkörper 135
6.1 Das freie Elektronengas im Potentialkasten 136
6.2 Das Fermi-Gas bei 7=0 K 140
6.3 Fermi-Statistik 142
6.4 Spezifische Wärme der Metallelektronen 145
6.5 Elektrostatische Abschirmung
in einem Fermi-Gas - Mott-Übergang 149
6.6 Glühemission aus Metallen 152
Übungen 156
7. Elektronische Bänder in Festkörpern 159
7.1 Allgemeine Symmetrieeigenschaften 160
7.2 Näherung des quasifreien Elektrons 163
7.3 Näherung vom „stark gebundenen" Elektron her 168
7.4 Beispiele von Bandstrukturen 173
7.5 Zustandsdichten 177
7.6 Zustandsdichte nichtkristalliner Festkörper 179
Übungen 183
Tafel V: Photoemissionsspektroskopie 185
8. Magnetismus 189
8.1 Dia- und Paramagnetismus 190
8.2 Austauschwechselwirkung 195
8.3 Austauschwechselwirkung zwischen freien Elektronen . 198
8.4 Das Bandmodell für den Ferromagnetismus 200
8.5 Das Temperaturverhalten eines Ferromagneten
im Bandmodell 204
8.6 Ferromagnetische Kopplung bei lokalisierten Elektronen 208
8.7 Antiferromagnetismus 210
8.8 Spinwellen 214
8.9 Kristallanisotropie 218
Übungen 225
Tafel VI: Magnetostatische Spinwellen 226
Tafel VII: Magnetismus in Schichtsystemen und GMR-Effekt 230
9. Bewegung von Ladungsträgern
und Transportphänomene 235
9.1 Bewegung von Ladungsträgern in Bändern -
die effektive Masse 235
Inhaltsverzeichnis XV
9.2 Ströme in Bändern und Defektelektronen 239
9.3 Streuung von Elektronen in Bändern 241
9.4 Boltzmann-Gleichung und Relaxationszeit 245
9.5 Die elektrische Leitfähigkeit von Metallen 250
9.6 Thermoelektrische Effekte 256
9.7 Das Wiedemann-Franz-Gesetz 260
9.8 Elektrische Leitfähigkeit durch lokalisierte Elektronen . 261
9.9 Quantentransport in Nanostrukturen 264
Übungen 280
Tafel VIII: Quantenoszillationen und die Topologie
von Fermi-Flächen 282
10. Supraleitung 287
10.1 Einige Grundphänomene der Supraleitung 287
10.2 Phänomenologische Beschreibung
durch London-Gleichungen 292
10.3 Instabilität des „Fermi-Sees" und Cooper-Paare 295
10.4 Der BCS-Grundzustand 300
10.5 Das Anregungsspektrum des Supraleiters 309
10.6 Konsequenzen der BCS-Theorie und Vergleich
mit experimentellen Befunden 314
10.7 Suprastrom und kritischer Strom 318
10.8 Kohärenz des BCS-Grundzustandes
und Meissner-Ochsenfeld-Effekt 322
10.9 Quantisierung des magnetischen Flusses 327
10.10 Supraleiter 2. Art 331
10.11 Neuartige „Hochtemperatur"-Supraleiter 338
Übungen 347
Tafel IX: Einelektronen-Tunneln an Supraleitern 349
Tafel X: Cooper-Paar-Tunneln - Josephson-Effekte 356
11. Dielektrische Eigenschaften der Materie 361
11.1 Die dielektrische Funktion 361
11.2 Absorption elektromagnetischer Strahlung 364
11.3 Die dielektrische Funktion für harmonische Oszillatoren 367
11.4 Longitudinale und transversale Eigenschwingungen . . . 370
11.5 Oberflächenwellen eines Dielektrikums 372
11.6 Das Reflexionsvermögen des dielektrischen Halbraums . 374
11.7 Das lokale Feld 375
11.8 Polarisationskatastrophe und Ferroelektrika 378
11.9 Das freie Elektronengas 379
11.10 Interband-Übergänge 382
11.11 Exzitonen 389
11.12 Dielektrische Energieverluste von Elektronen 390
Übungen 394
Tafel XI: Spektroskopie mit Photonen und Elektronen 397
Tafel XII: Infrarot-Spektroskopie 399
Tafel XIII: Die Methode der frustrierten Totalreflexion 401
XVI Inhaltsverzeichnis
12. Halbleiter 403
12.1 Daten einiger wichtiger Halbleiter 404
12.2 Ladungsträgerdichte im intrinsischen Halbleiter 408
12.3 Dotierung von Halbleitern 412
12.4 Ladungsträgerdichte in dotierten Halbleitern 416
12.5 Leitfähigkeit von Halbleitern 421
12.6 Der /?-n-Übergang
und der Metall/Halbleiter-Schottky-Kontakt 427
12.7 Halbleiterheterostrukturen und Übergitter 443
12.8 Wichtige Halbleiterbauelemente 456
Übungen 471
Tafel XIV: Hall-Effekt 473
Tafel XV: Zyklotron-Resonanz bei Halbleitern 475
Tafel XVI: Shubnikov-de Haas-Oszillationen
und Quanten-Hall-Effekt 477
Tafel XVII: Halbleiterepitaxie 483
Tafel XVIII: Präparation von Nanostrukturen 488
Literaturverzeichnis 493
Sachverzeichnis 505
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