
Festkörperphysik
Description
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Das über mehrere Jahre ausgefeilte und weithin anerkannte Lehrbuch führt in alle aktuelle Festkörperphysikthemen ein und vermittelt darüber hinaus das Verständnis für weiterführende Spezialgebiete wie z.B. Magnetismus, Supraleitung und Halbleiterphysik.
Es gelingt den Autoren nicht nur, die moderne Festkörperphysik in all ihrer Breite leicht verständlich und strukturiert zu behandeln, sondern auch ein tieferes Verständnis für die wissenschaftliche Entwicklung dieses Fachbereichs zu schaffen.
Das ausgewogene didaktische Konzept des Buches zeichnet sich durch Klarheit und Übersichtlichkeit aus. Farbige Hervorhebungen und Markierungen sowie farbige Icons am Seitenrand kennzeichnen besonders wesentliche Formeln, die zahlreichen Vertiefungsthemen und weiterführende Literatur am Ende der Kapitel.
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Content
- Intro
- Vorwort
- Inhaltsverzeichnis
- 1 Kristallstruktur
- 1.1 Periodische Strukturen - Grundbegriffe und Definitionen
- 1.1.1 Das Bravais-Gitter
- 1.1.2 Klassifizierung von Kristallgittern
- 1.1.3 Richtungen und Ebenen in Kristallen
- 1.1.4 Quasikristalle
- 1.2 Einfache Kristallstrukturen
- 1.2.1 Die sc-Struktur
- 1.2.2 Die fcc-Struktur
- 1.2.3 Die bcc-Struktur
- 1.2.4 Die hcp-Struktur
- 1.2.5 Die dhcp-Struktur
- 1.2.6 Die Natriumchloridstruktur
- 1.2.7 Die Cäsiumchloridstruktur
- 1.2.8 Die Diamantstruktur
- 1.2.9 Die Zinkblende-undWurtzit-Struktur
- 1.2.10 Die Graphitstruktur
- 1.3 Festkörperoberflächen
- 1.4 Reale Kristalle
- 1.4.1 Strukturelle Fehlordnung
- 1.4.2 Chemische Fehlordnung
- 1.5 Nicht-kristalline Festkörper
- 1.5.1 Die radiale Verteilungsfunktion
- 1.5.2 Flüssigkristalle
- 1.6 Vertiefungsthema: Direkte Abbildung von Kristallstrukturen
- 1.6.1 Elektronenmikroskopie
- 1.6.2 Rastersondentechniken
- Literatur
- 2 Strukturanalyse
- 2.1 Das reziproke Gitter
- 2.1.1 Definition des reziproken Gitters
- 2.1.2 Fourier-Analyse
- 2.1.3 Die reziproken Gittervektoren
- 2.1.4 Die erste Brillouin-Zone
- 2.1.5 Gitterebenen und Millersche Indizes
- 2.1.6 Gegenüberstellung von direktem und reziprokem Raum
- 2.2 Beugung
- 2.2.1 Die Bragg-Bedingung
- 2.2.2 Die von Laue Bedingung
- 2.2.3 Zusammenhang zwischen Bragg und von Laue Bedingung
- 2.2.4 Allgemeine Beugungstheorie
- 2.2.5 Beispiele für Strukturfaktoren
- 2.2.6 Inelastische Streuung
- 2.2.7 Der Debye-Waller Faktor
- 2.2.8 Vertiefungsthema: Der Mößbauer-Effekt
- 2.3 Experimentelle Methoden
- 2.3.1 Wellentypen
- 2.3.2 Methoden der Röntgendiffraktometrie
- Literatur
- 3 Bindungskrä?e
- 3.1 Grundlagen
- 3.1.1 Bindungsenergie und Schmelztemperatur
- 3.1.2 Elektronische Struktur der Atome
- 3.2 Die Van derWaals Bindung
- 3.2.1 Wechselwirkung zwischen fluktuierenden Dipolen
- 3.2.2 AbstoßendeWechselwirkung
- 3.2.3 Gleichgewichtsgitterkonstante
- 3.2.4 Kompressibilität
- 3.3 Die ionische Bindung
- 3.3.1 Madelungenergie
- 3.3.2 Gleichgewichtsgitterkonstante
- 3.3.3 Kompressibilität
- 3.4 Die kovalente Bindung
- 3.4.1 Das H+2 -Molekülion
- 3.4.2 Das H2-Molekül
- 3.4.3 Vertiefungsthema: Hybridisierung
- 3.5 Die metallische Bindung
- 3.5.1 Bindungsenergie
- 3.6 DieWasserstoffbrückenbindung
- 3.7 Atom- und Ionenradien
- 3.7.1 Atomradien
- 3.7.2 Ionenradien
- Literatur
- 4 Elastische Eigenscha?en
- 4.1 Grundlagen
- 4.2 Spannung und Dehnung
- 4.2.1 Der Spannungstensor
- 4.2.2 Die Dehnungskomponenten
- 4.3 Der Elastizitätstensor
- 4.3.1 Elastische Energiedichte
- 4.3.2 Kristallsymmetrie und Elastizitätsmodul
- 4.4 Vertiefungsthema: Verspannungseffekte in epitaktischen Schichten
- 4.5 Technische Größen
- 4.6 ElastischeWellen
- 4.6.1 ElastischeWellen in kubischen Kristallen
- 4.6.2 Experimentelle Methoden
- Literatur
- 5 Gitterdynamik
- 5.1 Grundlegendes
- 5.1.1 Die adiabatische Näherung
- 5.1.2 Die harmonische Näherung
- 5.2 KlassischeTeorie
- 5.2.1 Bewegungsgleichungen
- 5.2.2 Kristallgitter mit einatomiger Basis
- 5.2.3 Kristallgitter mit zweiatomiger Basis
- 5.2.4 Gitterschwingungen - dreidimensionaler Fall
- 5.3 Zustandsdichte im Phononenspektrum
- 5.3.1 Randbedingungen
- 5.3.2 Zustandsdichte im Impulsraum
- 5.3.3 Zustandsdichte im Frequenzraum
- 5.4 Quantisierung der Gitterschwingungen
- 5.4.1 Das Quantenkonzept
- 5.4.2 Phononen
- 5.4.3 Der Impuls von Phononen
- 5.5 Experimentelle Methoden
- 5.5.1 Inelastische Neutronenstreuung
- 5.5.2 Inelastische Lichtstreuung
- Literatur
- 6 Termische Eigenscha?en
- 6.1 SpezifischeWärme
- 6.1.1 Definition der spezifischenWärme
- 6.1.2 Klassische Betrachtung
- 6.1.3 Quantenmechanische Betrachtung
- 6.1.4 Temperaturverlauf der spezifischenWärme
- 6.1.5 Debye- und Einstein-Näherung
- 6.1.6 Phononenzahl und Nullpunktsenergie
- 6.1.7 Vertiefungsthema: Analogie zwischen Phononen- und Photonengas
- 6.2 Anharmonische Effekte
- 6.2.1 Anharmonisches Potenzial
- 6.3 Termische Ausdehnung
- 6.3.1 Mittlere Auslenkung
- 6.3.2 Vertiefungsthema: Zustandsgleichung und thermische Ausdehnung
- 6.4 Wärmeleitfähigkeit
- 6.4.1 Definition derWärmeleitfähigkeit
- 6.4.2 Transporttheorie
- 6.4.3 Temperaturabhängigkeit derWärmeleitfähigkeit
- 6.4.4 Spontaner Zerfall von Phononen
- 6.4.5 Vertiefungsthema:Wärmetransport in amorphen Festkörpern
- 6.4.6 Vertiefungsthema:Wärmetransport in niederdimensionalen Systemen
- Literatur
- 7 Das freie Elektronengas
- 7.1 Modell des freien Elektronengases
- 7.1.1 Grundzustand
- 7.1.2 Fermi-Gas bei endlicher Temperatur
- 7.1.3 Das chemische Potenzial
- 7.2 SpezifischeWärme
- 7.2.1 Teorie
- 7.2.2 Experimentelle Ergebnisse
- 7.3 Transporteigenscha?en
- 7.3.1 Elektrische Leitfähigkeit
- 7.3.2 Termische Leitfähigkeit
- 7.3.3 Termokra?
- 7.3.4 Bewegung im Magnetfeld
- 7.4 Niedrigdimensionale Elektronengassysteme
- 7.4.1 Zweidimensionales Elektronengas
- 7.4.2 Eindimensionales Elektronengas
- 7.4.3 Nulldimensionales Elektronengas
- 7.5 Transporteigenscha?en von niederdimensionalen Elektronengasen
- 7.5.1 Eindimensionales Elektronengas: Leitwertquantisierung
- 7.5.2 Vertiefungsthema: Nulldimensionales Elektronengas: Coulomb-Blockade
- Literatur
- 8 Energiebänder
- 8.1 Bloch-Elektronen
- 8.1.1 Bloch-Wellen im Ortsraum
- 8.1.2 Bloch-Wellen im k-Raum
- 8.1.3 Der Kristallimpuls
- 8.1.4 Dispersionsrelation und Bandstruktur
- 8.1.5 Reduziertes Zonenschema
- 8.2 Die Näherung fast freier Elektronen
- 8.2.1 Qualitative Diskussion
- 8.2.2 Quantitative Diskussion
- 8.3 Die Näherung stark gebundener Elektronen
- 8.3.1 Beispiele: kubische Gitter
- 8.3.2 Weitere Methoden zur Bandstrukturberechnung
- 8.3.3 Vertiefungsthema: Spin-Bahn-Kopplung
- 8.4 Metalle, Halbmetalle, Halbleiter, Isolatoren
- 8.4.1 Anzahl der Zustände pro Band
- 8.4.2 Halbmetalle
- 8.4.3 Isolatoren
- 8.5 Zustandsdichte und Bandstrukturen
- 8.5.1 Zustandsdichte
- 8.5.2 Beispiele für Bandstrukturen
- 8.5.3 Experimentelle Bestimmung der Bandstruktur
- 8.6 Fermi-Flächen von Metallen
- 8.6.1 Quadratisches Gitter
- Literatur
- 9 Dynamik
- 9.1 Semiklassisches Modell
- 9.1.1 Grundlagen des semiklassischen Modells
- 9.1.2 Gültigkeitsbereich des semiklassischen Modells
- 9.2 Bewegung von Kristallelektronen
- 9.2.1 Gefüllte Bänder
- 9.2.2 Teilweise gefüllte Bänder
- 9.2.3 Elektronen und Löcher
- 9.2.4 Semiklassische Bewegung im homogenen Magnetfeld
- 9.2.5 Semiklassische Bewegung in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
- 9.2.6 Hall-Effekt und Magnetwiderstand im Hochfeldgrenzfall
- 9.3 Streuprozesse
- 9.3.1 Beschreibung von Streuprozessen
- 9.3.2 Streuquerschnitte
- 9.4 Boltzmann-Transportgleichung
- 9.4.1 Boltzmann-Gleichung und Relaxationszeit
- 9.4.2 Linearisierte Boltzmann-Gleichung
- 9.4.3 Relaxationszeit-Ansatz
- 9.5 Vertiefungsthema: Allgemeine Transportkoeffizienten
- 9.5.1 Elektrische Leitfähigkeit
- 9.5.2 Wärmeleitfähigkeit
- 9.5.3 Termokra?
- 9.5.4 Peltier-Effekt
- 9.5.5 Termomagnetische Effekte
- 9.5.6 Allgemeines Klassifizierungsschema
- 9.5.7 Anomaler Hall- und Nernst-Effekt
- 9.5.8 Spin-Hall- und Spin-Nernst-Effekt
- 9.5.9 Phononen-Mitführung
- 9.5.10 Quanteninterferenzeffekte
- 9.6 Vertiefungsthema: Magnetwiderstand
- 9.6.1 Magnetwiderstand und Hall-Effekt im Einband-Modell
- 9.6.2 Magnetwiderstand und Hall-Effekt im Zweiband-Modell
- 9.6.3 Hochfeld-Magnetwiderstand
- 9.7 Quantisierung der Bahnen
- 9.7.1 Freie Ladungsträger
- 9.7.2 Zustandsdichte im Magnetfeld
- 9.7.3 Kristallelektronen
- 9.7.4 Vertiefungsthema: Magnetischer Durchbruch
- 9.8 Experimentelle Bestimmung der Fermi-Flächen
- 9.8.1 De Haas-van Alphen-Effekt
- 9.8.2 Shubnikov-de Haas-Effekt
- 9.8.3 Vertiefungsthema: Zyklotronresonanz
- 9.8.4 Vertiefungsthema: Anomaler Skin-Effekt
- Literatur
- 10 Halbleiter
- 10.1 Grundlegende Eigenscha?en
- 10.1.1 Klassifizierung von Halbleitern
- 10.1.2 Intrinsische Halbleiter
- 10.1.3 Dotierte Halbleiter
- 10.1.4 Elektrische Leitfähigkeit
- 10.1.5 Hall-Effekt
- 10.1.6 Vertiefungsthema: Seebeck- und Peltier-Effekt
- 10.2 Inhomogene Halbleiter
- 10.2.1 p-n Übergang im thermischen Gleichgewicht
- 10.2.2 p-n Übergang mit angelegter Spannung
- 10.2.3 Schottky-Kontakt
- 10.2.4 Schottky-Kontakt mit angelegter Spannung
- 10.3 Halbleiter-Bauelemente
- 10.3.1 Zener-Diode
- 10.3.2 Esaki- oder Tunneldiode
- 10.3.3 Solarzelle
- 10.3.4 Bipolarer Transistor
- 10.4 Realisierung von niedrigdimensionalen Elektronengassystemen
- 10.4.1 Zweidimensionale Elektronengase
- 10.4.2 Vertiefungsthema: Halbleiter-Laser
- 10.5 Zweidimensionales Elektronengas: Quanten-Hall-Effekt
- 10.5.1 Zweidimensionales Elektronengas im Magnetfeld
- 10.5.2 Transporteigenscha?en des zweidimensionalen Elektronengases
- 10.5.3 Ganzzahliger Quanten-Hall-Effekt
- 10.5.4 Vertiefungsthema: Fraktionaler Quanten-Hall-Effekt
- 10.6 Topologische Quantenmaterialien
- 10.6.1 Topologie und Bandstruktur
- 10.6.2 Berry-Phase und Chern-Zahl
- 10.6.3 Klassifizierung von Topologischen Isolatoren
- 10.6.4 Zweidimensionale Topologische Isolatoren
- 10.6.5 Dreidimensionale Topologische Isolatoren
- 10.6.6 Topologische Supraleiter
- 10.6.7 Zukun?sperspektiven
- Literatur
- 11 Dielektrische Eigenscha?en
- 11.1 Makroskopische Elektrodynamik
- 11.1.1 Die dielektrische Funktion
- 11.1.2 Kramers-Kronig-Relationen
- 11.1.3 Absorption, Transmission und Reflexion von elektromagn. Strahlung
- 11.1.4 Das lokale elektrische Feld
- 11.2 MikroskopischeTeorie
- 11.3 Elektronische Polarisation
- 11.3.1 Lorentzsches Oszillator-Modell
- 11.3.2 Vertiefungsthema: Quantenmechanische Beschreibung der elektronischen Polarisation
- 11.4 Ionische Polarisation
- 11.4.1 Eigenschwingungen von Ionenkristallen
- 11.4.2 Erzwungene Schwingungen von Ionenkristallen
- 11.5 Orientierungspolarisation
- 11.5.1 Statische Polarisation
- 11.5.2 Frequenzabhängige Polarisation
- 11.6 Dielektrische Eigenscha?en von Metallen und Halbleitern
- 11.6.1 Dielektrische Funktion eines freien Elektronengases
- 11.6.2 Longitudinale Plasmaschwingungen: Plasmonen
- 11.6.3 Erzwungene transversale Plasmaschwingungen: Plasmon-Polaritonen
- 11.6.4 Interband-Übergänge
- 11.6.5 Exzitonen
- 11.7 Elektron-Elektron-Wechselwirkung und Abschirmung in Metallen
- 11.7.1 Statische Abschirmung
- 11.7.2 Vertiefungsthema: LindhardTeorie
- 11.7.3 Vertiefungsthema: Abschirmung von Phononen in Metallen
- 11.7.4 Polaronen
- 11.7.5 Vertiefungsthema: Metall-Isolator-Übergang
- 11.7.6 Elektron-Elektron-Wechselwirkung undTeorie der Fermi-Flüssigkeit
- 11.8 Ferroelektrizität
- 11.8.1 Landau-Teorie der Phasenübergänge
- 11.8.2 Klassifizierung von Ferroelektrika
- 11.8.3 Ferroelektrische Domänen
- 11.8.4 Piezoelektrizität
- Literatur
- 12 Magnetismus
- 12.1 Makroskopische Größen
- 12.1.1 Die magnetische Suszeptibilität
- 12.1.2 Lokales magnetisches Feld
- 12.1.3 Entmagnetisierungs- und Streufelder
- 12.1.4 Magnetostatische Selbstenergie
- 12.2 MikroskopischeTeorie
- 12.2.1 Dia-, Para- und Ferromagnetismus
- 12.3 Atomarer Dia- und Paramagnetismus
- 12.3.1 Atome im homogenen Magnetfeld
- 12.3.2 Statistische Betrachtung
- 12.3.3 Larmor-Diamagnetismus
- 12.3.4 Magnetische Momente in Festkörpern
- 12.3.5 Langevin-Paramagnetismus
- 12.3.6 Vertiefungsthema: Van Vleck Paramagnetismus
- 12.3.7 Kühlung durch adiabatische Entmagnetisierung
- 12.4 Para- und Diamagnetismus von Metallen
- 12.4.1 Pauli-Paramagnetismus
- 12.4.2 Landau-Diamagnetismus
- 12.5 Kooperativer Magnetismus
- 12.5.1 Dipol-Dipol-Wechselwirkung
- 12.5.2 Austauschwechselwirkung zwischen lokalisierten Elektronen
- 12.5.3 Dzyaloshinskii-MoriyaWechselwirkung
- 12.5.4 Spin-Bahn-Wechselwirkung
- 12.5.5 Zeeman-Wechselwirkung
- 12.5.6 Austauschwechselwirkung zwischen itineranten Elektronen
- 12.6 Magnetische Ordnungsphänomene
- 12.6.1 Magnetische Ordnungsstrukturen
- 12.6.2 Ferromagnetismus
- 12.6.3 Ferrimagnetismus
- 12.6.4 Antiferromagnetismus
- 12.7 Magnetische Anisotropie
- 12.7.1 Magnetische freie Energiedichte
- 12.7.2 Magnetokristalline Anisotropie
- 12.7.3 Formanisotropie
- 12.7.4 Induzierte Anisotropie
- 12.8 Magnetische Domänen
- 12.8.1 Ferromagnetische Domänen
- 12.8.2 Antiferromagnetische Domänen
- 12.8.3 Domänenwände
- 12.8.4 Abbildung der Domänenstruktur
- 12.8.5 Magnetisierungskurve
- 12.8.6 Magnetische Speichermedien
- 12.9 Magnetisierungsdynamik
- 12.9.1 Ferromagnetische Resonanz
- 12.10 Spin-Wellen
- 12.10.1 Austauschmoden
- 12.10.2 Dipolare Moden
- 12.10.3 Vertiefungsthema: Antiferromagnetische Spin-Wellen
- Literatur
- 13 Supraleitung
- 13.1 Geschichte und grundlegende Eigenscha?en
- 13.1.1 Geschichte der Supraleitung
- 13.1.2 Supraleitende Materialien
- 13.1.3 Sprungtemperaturen
- 13.1.4 Grundlegende Eigenscha?en
- 13.2 Termodynamische Eigenscha?en von Supraleitern
- 13.2.1 Typ-I Supraleiter im Magnetfeld
- 13.2.2 Typ-II Supraleiter im Magnetfeld
- 13.3 Phänomenologische Modelle
- 13.3.1 London-Gleichungen
- 13.3.2 Verallgemeinerte London teorie - Supraleitung als makroskopisches Quantenphänomen
- 13.3.3 Die Ginzburg-Landau-Teorie
- 13.4 Typ-I und Typ-II Supraleiter
- 13.4.1 Mischzustand und kritische Felder
- 13.4.2 Supraleiter-Normalleiter Grenzflächenenergie
- 13.4.3 Vertiefungsthema: Zwischenzustand und Entmagnetisierungseffekte
- 13.4.4 Kritische Felder
- 13.4.5 Vertiefungsthema: Nukleation an Oberflächen
- 13.4.6 Vertiefungsthema: Shubnikov-Phase und Flussliniengitter
- 13.4.7 Vertiefungsthema: Flusslinien in Typ-II Supraleitern
- 13.4.8 Kritische Stromdichte
- 13.5 MikroskopischeTeorie
- 13.5.1 Attraktive Elektron-Elektron-Wechselwirkung und Cooper-Paare
- 13.5.2 Der BCS-Grundzustand
- 13.5.3 Energielücke und Anregungsspektrum
- 13.5.4 Quasiteilchentunneln
- 13.5.5 Termodynamische Größen
- 13.6 Josephson-Effekt
- 13.6.1 Die Josephson-Gleichungen
- 13.6.2 Josephson-Kontakt mitWechselspannung
- 13.6.3 Josephson-Kontakt im Magnetfeld
- 13.6.4 Supraleitende Quanteninterferometer
- 13.7 Kritische Ströme in Typ-II Supraleitern
- 13.7.1 Stromtransport im Mischzustand
- 13.7.2 Lorentz-Kra?
- 13.7.3 Reibungskra?
- 13.7.4 Ha?kra?
- 13.8 Unkonventionelle Supraleitung
- 13.9 Kuprat-Supraleiter
- 13.9.1 Strukturelle Eigenscha?en
- 13.9.2 Elektronische Eigenscha?en
- 13.9.3 Supraleitende Eigenscha?en
- Literatur
- A Quantentheorie des Gitters
- A.1 Der harmonische Oszillator
- A.2 Quantisierung von Gitterschwingungen
- A.2.1 Lineare Kette
- A.2.2 Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren
- B Quantenstatistik
- B.1 Identische Teilchen
- B.1.1 Klassischer Fall: Maxwell-Boltzmann-Statistik
- B.1.2 Quantenmechanischer Fall
- B.2 Die quantenmechanischen Verteilungsfunktionen
- B.2.1 Quantenstatistische Beschreibung
- B.2.2 Photonen-Statistik
- B.2.3 Die Fermi-Dirac-Statistik
- B.2.4 Die Bose-Einstein-Statistik
- B.2.5 Quantenstatistik im klassischen Grenzfall
- C Sommerfeld-Entwicklung
- D Geladenes Teilchen in elektromagnetischem Feld
- D.1 Der verallgemeinerte Impuls
- D.2 Lagrange-Funktion
- D.3 Hamilton-Funktion
- E Dipolnäherung
- F Thermodynamik
- F.1 Termodynamische Potenziale
- F.2 Innere Energie
- F.2.1 Arbeit an Systemen in elektrischen und magnetischen Feldern
- F.2.2 Zusammenhang zwischen innerer Energie und elektromagnetischer Arbeit
- F.3 Freie Energie
- F.4 Freie Enthalpie
- F.5 Verwendung der thermodynamischen Potenziale
- F.6 SpezifischeWärme
- Literatur
- G Herleitungen zur Supraleitung
- G.1 Madelung-Transformation
- G.2 BCS Hamilton-Operator
- G.3 Grundzustandsenergie
- G.4 Josephson-Gleichungen
- H SI-Einheiten
- H.1 Geschichte des SI-Systems
- H.2 Die SI-Basiseinheiten
- H.2.1 Einige von den SI-Einheiten abgeleitete Einheiten
- H.3 Vorsätze
- H.4 Abgeleitete Einheiten und Umrechnungsfaktoren
- H.4.1 Länge, Fläche, Volumen
- H.4.2 Masse
- H.4.3 Zeit, Frequenz
- H.4.4 Temperatur
- H.4.5 Winkel
- H.4.6 Kra?, Druck, Viskosität
- H.4.7 Energie, Leistung,Wärmemenge
- H.4.8 Elektromagnetische Einheiten
- I Physikalische Konstanten
- Literatur
- Abbildungsnachweis
- Index
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