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Festkörperphysik Die häufig abgekürzt FKP befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand Sie gehört t

Festkörperphysik

Die Festkörperphysik (häufig abgekürzt: FKP) befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand. Sie gehört thematisch zur Physik der kondensierten Materie und umgekehrt. Von besonderer Bedeutung sind dabei kristalline Festkörper. Das sind solche, die einen translationssymmetrischen (periodischen) Aufbau aufweisen, da diese Translationssymmetrie die physikalische Behandlung vieler Phänomene drastisch vereinfacht oder erst ermöglicht. Daher erfolgt die Anwendung des Modells des idealen Kristallgitters häufig auch dann, wenn die Bedingung der Periodizität nur sehr eingeschränkt, zum Beispiel nur sehr lokal erfüllt ist. Die Abweichung von der strengen Periodizität wird dann durch Korrekturen berücksichtigt.

Supraleiter gehören zum Forschungsgebiet der Festkörperphysik.

Erscheinungsformen von Festkörpern Bearbeiten

Kristalline Festkörper Bearbeiten

Vier Beispiele für kristalline Festkörper: Coltan, Kassiterit, Wolframit und Gold

Die Physik kristalliner Festkörper (Kristallphysik) befasst sich mit Festkörpern, die einen periodischen Aufbau aufweisen.

  • Die Kristallstruktur repräsentiert die statische periodische Ordnung im kristallinen Festkörper.

Teilkristalline Substanz Bearbeiten

Eine teilkristalline Substanz, die zwar eine gewisse Nahordnung im Bereich von 4,5–6 Å aufweist, im Gegensatz zu einem Kristall aber keine ausgeprägte Fernordnung, ist ein Parakristall.

Amorphe Festkörper Bearbeiten

Metallisches Glas ist ein amorpher Festkörper.

Die Physik amorpher Festkörper befasst sich mit Festkörpern, die keine Fernordnung aufweisen.

Grenzflächenphysik Bearbeiten

Die Grenzflächenphysik befasst sich mit den Besonderheiten an Grenzflächen, die Oberflächenphysik ist ein Spezialfall der Grenzflächenphysik bei Grenzflächen zum Vakuum. Die physikalischen Eigenschaften der wenigen Atomlagen nahe der Grenzfläche unterscheiden sich aufgrund der nicht-periodischen Randbedingungen von der Physik im Inneren, das auch Volumen-Festkörper genannt wird.

Ordnungszustände in Festkörpern Bearbeiten

Bei der Beschreibung der Regelmäßigkeit im Aufbau des Festkörpers betrachtet man einerseits die Nahordnung im Bereich weniger Nanometer und andererseits die Fernordnung, die sich auf weit größere Entfernungen bezieht.

Nahordnung bis Fernordnung in Festkörpern
Zustand Reichweite der Ordnung Beispiel
amorph (Nahordnung) nächste und übernächste Teilchen Glas
nanokristallin Nanometer Parakristall
mikrokristallin Mikrometer Quarz
polykristallin Millimeter Polykristalliner Diamant
monokristallin (Fernordnung) Zentimeter monokristalline Ingots

Forschung & Entwicklung Bearbeiten

Forschungsverbände, Institute usw. Bearbeiten

Hinweis: Die Liste erhebt keinen Anspruch an Vollständigkeit. Viele weitere Institute an Universitäten sowie angrenzende Wissenschaften existieren.

Preise und Auszeichnungen Bearbeiten

Es werden weltweit verschiedene Preise in der FKP verliehen, z. B.:

Der Festkörperphysik können insgesamt eine Vielzahl an Nobelpreisen zugeordnet werden.

Moderne Forschungsthemen Bearbeiten

Untersuchungsmethoden in der Festkörperphysik Bearbeiten

In der Festkörperphysik, ähnlich wie in der Festkörperchemie, werden eine Reihe von Methoden verwendet, um die Eigenschaften insbesondere von funktionellen Materialien zu untersuchen und deren Eigenschaften in Tiefe der Struktur zu verstehen. Das ist in vielen modernen Anwendungen wie Elektronik, Computerchips, Halbleitertechnik, Solarzellen, Batterien, Beleuchtung, Metallen oder Isolatoren von Bedeutung. Zu den wichtigen Methoden zählen:

Die Röntgenbeugung nutzt den Effekt der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallgittern zur Untersuchung der Symmetrieeigenschaften von Festkörpern, die in 230 verschiedenen sogenannten Raumgruppen vorliegen. Dazu werden Röntgendiffraktometer eingesetzt. Materialien können damit auch auf ihre Qualität und Reinheit sowie die Kristallitgröße untersucht werden.

Die Neutronenbeugung nutzt denselben Beugungseffekt mit den gleichen Grundprinzipien wie die Röntgenbeugung, jedoch werden statt der Röntgenstrahlen Neutronen eingesetzt, die meist in Forschungskernreaktoren bereitgestellt werden. Aufgrund der anderen Welleneigenschaften des massereichen Neutrons gegenüber der Röntgenstrahlung sind die Diffraktometer sehr groß, meist mehrere Meter. Neben den 230 Raumgruppen lassen sich insbesondere magnetische Ordnungen in Kristallen untersuchen. Unter Hinzuziehung des Spins erweitern sich die magnetischen Raumgruppen auf 1651.

Mit Magnetometern werden insbesondere die magnetischen Eigenschaften untersucht. Eine der häufigen Methoden ist das SQUID in Verbindung mit Kryostaten, um die verschiedenen Arten des Magnetismus zu bestimmen und die magnetischen Phasendiagramme zu ermitteln.

Mit Tracerdiffusion wird die Diffusion von Atomen und Ionen in Kristallen untersucht. Dies ist wichtig bei Dotierungsprozessen oder für die Temperaturstabilität von Materialien, z. B. bei der Festoxidbrennstoffzelle.

Während die bisherigen Methoden makroskopische Eigenschaften messen, können mit Methoden der Nuklearen Festkörperphysik lokale Strukturen auf atomarer Ebene untersucht werden, indem Atomkerne als Sonde verwendet werden. Damit kann z. B. die Größe des magnetischen Feldes am Ort des Kerns gemessen werden oder auch lokale Defekte im Kristallgitter. Eine andere wichtige Größe sind elektrische Feldgradienten, mit denen die lokale Struktur und deren Änderung bei Temperaturänderung oder Konzentrationsänderung bestimmter Komponenten im Material erforscht wird. Messmethoden sind z. B. Mößbauer-Spektroskopie, Gestörte Gamma-Gamma-Winkelkorrelation, Kernspinresonanzspektroskopie oder Myonenspinspektroskopie.

Literatur Bearbeiten

Grundlagen Bearbeiten

  • Rudolf Gross, Achim Marx: Festkörperphysik. 4. Auflage. De Gruyter Oldenbourg, Boston 2022, ISBN 978-3-11-078234-9.
  • Konrad Kopitzki, Peter Herzog: Einführung in die Festkörperphysik. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-53577-6, doi:10.1007/978-3-662-53578-3.
  • Philip Hofmann: Einführung in die Festkörperphysik (= Lehrbuch Physik). Wiley-VCH, Weinheim 2013, ISBN 978-3-527-41226-6.
  • Harald Ibach, Hans Lüth: Festkörperphysik (= Springer-Lehrbuch). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-85794-5, doi:10.1007/978-3-540-85795-2.
  • Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Festkörper. Hrsg.: Ludwig K. Thomas u. a. (= Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 6). 2. überarb. Auflage. Walter de Gruyter, 2005, ISBN 978-3-11-017485-4, doi:10.1515/9783110198157.

Weiterführend Bearbeiten

  • Wolfram Hergert, R. Matthias Geilhufe: Group Theory in Solid State Physics and Photonics. Wiley-VCH, Weinheim 2018, ISBN 978-3-527-41300-3.
  • Gerd Czycholl: Theoretische Festkörperphysik Band 1. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-47140-1, doi:10.1007/978-3-662-47141-8.
  • Gerd Czycholl: Theoretische Festkörperphysik Band 2. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-53700-8, doi:10.1007/978-3-662-53701-5.

Klassiker Bearbeiten

  • Charles Kittel: Introduction to Solid State Physics. 9. (Global edition) Auflage. Wiley, Hoboken, NJ 2018, ISBN 978-1-119-45416-8 (englisch).
    • Deutsche Ausgabe: Charles Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. 15., unveränd. Auflage. Oldenbourg, München 2013, ISBN 978-3-486-59755-4.
  • Neil Ashcroft, David Mermin: Festkörperphysik. 4., verbesserte Auflage. Oldenbourg Verlag, München 2013, ISBN 978-3-486-71301-5.
  • Joseph Callaway: Quantum Theory of the Solid State. 2. Auflage. Academic Press, Boston 1991, ISBN 978-0-12-155203-9 (englisch, archive.org).
  • Christian Weißmantel, Claus Hamann: Grundlagen der Festkörperphysik (= Hochschulbücher für Physik. Band 42). 3. Auflage. Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1989, ISBN 978-3-326-00381-8 (springer.com).
  • Charles Kittel, Ching Y. Fong: Quantum Theory of Solids. 2. Auflage. Wiley, New York 1987, ISBN 978-0-471-62412-7 (englisch, archive.org).
  • J. M. Ziman: Principles of the theory of solids. 2. Auflage. University Press, Cambridge, UK 1972, ISBN 978-0-521-08382-9 (englisch, archive.org).
  • Joseph Callaway: Energy Band Theory (= Pure and Applied Physics. Band 16). Academic Press, New York ; London 1964 (englisch, archive.org).

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Sektion Kondensierte Materie (SKM). DPG, 9. Januar 2023, abgerufen am 31. Januar 2023.
  2. M. Popescu, H. Bradaczek: Microparacrystalline model for medium-range order in non-crystalline chalcogenides. In: Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. Band 3, Nr. 2, Juni 2001, S. 249–254 (dtic.mil [PDF; 437 kB; abgerufen am 21. September 2016]).
  3. Horst-Günter Rubahn, Frank Balzer: Laseranwendungen an harten und weichen Oberflächen. Springer-Verlag, 2005, ISBN 978-3-519-00490-5, S. 1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  4. Julio A Gonzalo, Carmen Aragó López: Great Solid State Physicists of the 20th Century. WORLD SCIENTIFIC, 2003, ISBN 978-981-238-336-5, doi:10.1142/5245 (englisch).
  5. Andreas Battenberg (Red.): Supraleitung im Land der „schweren Elektronen“. Wechselspiel von elektronischem Magnetismus, Kernspins und Supraleitung. In: Nachrichten aus dem Physik-Department. Physik-Department · Technische Universität München, 1. Februar 2016, abgerufen am 19. September 2016.
  6. Christian Pfleiderer: Magnetische Wirbel im Festkörper. In: Physik Journal. 8/9 Auflage. Nr. 15. Wiley-VCH, Weinheim 2016 (pro-physik.de).
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Die Festkorperphysik haufig abgekurzt FKP befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand Sie gehort thematisch zur Physik der kondensierten Materie und umgekehrt 1 Von besonderer Bedeutung sind dabei kristalline Festkorper Das sind solche die einen translationssymmetrischen periodischen Aufbau aufweisen da diese Translationssymmetrie die physikalische Behandlung vieler Phanomene drastisch vereinfacht oder erst ermoglicht Daher erfolgt die Anwendung des Modells des idealen Kristallgitters haufig auch dann wenn die Bedingung der Periodizitat nur sehr eingeschrankt zum Beispiel nur sehr lokal erfullt ist Die Abweichung von der strengen Periodizitat wird dann durch Korrekturen berucksichtigt Supraleiter gehoren zum Forschungsgebiet der Festkorperphysik Inhaltsverzeichnis 1 Erscheinungsformen von Festkorpern 1 1 Kristalline Festkorper 1 2 Teilkristalline Substanz 1 3 Amorphe Festkorper 2 Grenzflachenphysik 3 Ordnungszustande in Festkorpern 4 Forschung amp Entwicklung 4 1 Forschungsverbande Institute usw 4 2 Preise und Auszeichnungen 4 3 Moderne Forschungsthemen 5 Untersuchungsmethoden in der Festkorperphysik 6 Literatur 6 1 Grundlagen 6 2 Weiterfuhrend 6 3 Klassiker 7 EinzelnachweiseErscheinungsformen von Festkorpern BearbeitenKristalline Festkorper Bearbeiten nbsp Vier Beispiele fur kristalline Festkorper Coltan Kassiterit Wolframit und GoldDie Physik kristalliner Festkorper Kristallphysik befasst sich mit Festkorpern die einen periodischen Aufbau aufweisen Die Kristallstruktur reprasentiert die statische periodische Ordnung im kristallinen Festkorper Siehe auch Kristallographie Die Gitterschwingungen beschreiben die Dynamik in der kristallinen Ordnung Ihre Beschreibung verwendet haufig das Modell der Quasiteilchen Bei Gitteranregungen werden diese Phononen genannt Die auf die Elektronenhulle der regelmassig angeordneten Atome zuruckgehenden Eigenschaften fuhren zu Bandermodell und Bandstruktur deren Parameter diverse makroskopische Eigenschaften Optik usw berechenbar machen Die magnetische Ordnung reprasentiert die statische Ordnung der magnetischen Momente im Festkorper Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Antiferromagnetismus Spindichtewellen Magnetooptik etc Die magnetischen Anregungen beschreiben die Dynamik der magnetischen Ordnung Die zugehorigen Quasiteilchen heissen Magnonen Teilkristalline Substanz Bearbeiten Eine teilkristalline Substanz die zwar eine gewisse Nahordnung im Bereich von 4 5 6 A 2 aufweist im Gegensatz zu einem Kristall aber keine ausgepragte Fernordnung ist ein Parakristall Amorphe Festkorper Bearbeiten nbsp Metallisches Glas ist ein amorpher Festkorper Die Physik amorpher Festkorper befasst sich mit Festkorpern die keine Fernordnung aufweisen Glas Unterkuhlte SchmelzeGrenzflachenphysik BearbeitenDie Grenzflachenphysik befasst sich mit den Besonderheiten an Grenzflachen die Oberflachenphysik ist ein Spezialfall der Grenzflachenphysik bei Grenzflachen zum Vakuum Die physikalischen Eigenschaften der wenigen Atomlagen nahe der Grenzflache unterscheiden sich aufgrund der nicht periodischen Randbedingungen von der Physik im Inneren das auch Volumen Festkorper genannt wird 3 Ordnungszustande in Festkorpern Bearbeiten Hauptartikel Nahordnung und Fernordnung Bei der Beschreibung der Regelmassigkeit im Aufbau des Festkorpers betrachtet man einerseits die Nahordnung im Bereich weniger Nanometer und andererseits die Fernordnung die sich auf weit grossere Entfernungen bezieht Nahordnung bis Fernordnung in Festkorpern Zustand Reichweite der Ordnung Beispielamorph Nahordnung nachste und ubernachste Teilchen Glasnanokristallin Nanometer Parakristallmikrokristallin Mikrometer Quarzpolykristallin Millimeter Polykristalliner Diamantmonokristallin Fernordnung Zentimeter monokristalline IngotsForschung amp Entwicklung BearbeitenForschungsverbande Institute usw Bearbeiten Hinweis Die Liste erhebt keinen Anspruch an Vollstandigkeit Viele weitere Institute an Universitaten sowie angrenzende Wissenschaften existieren Fraunhofer Institut fur Angewandte Festkorperphysik IAF Leibniz Institut fur Festkorper und Werkstoffforschung Dresden Max Planck Institut fur Mikrostrukturphysik Max Planck Institut fur Festkorperforschung Paul Drude Institut fur Festkorperelektronik Sektion Kondensierte Materie SKM der DPG Walter Schottky Institut der TUM Walther Meissner Institut fur TieftemperaturforschungPreise und Auszeichnungen Bearbeiten Es werden weltweit verschiedene Preise in der FKP verliehen z B Walter Schottky Preis verliehen von der DPG Oliver E Buckley Condensed Matter Prize verliehen von der APSDer Festkorperphysik konnen insgesamt eine Vielzahl an Nobelpreisen zugeordnet werden 4 Moderne Forschungsthemen Bearbeiten Graphen Heavy Fermion Systeme 5 Hochtemperatursupraleiter Quasikristalle Silicen Skyrmionen 6 Spin GlasUntersuchungsmethoden in der Festkorperphysik BearbeitenIn der Festkorperphysik ahnlich wie in der Festkorperchemie werden eine Reihe von Methoden verwendet um die Eigenschaften insbesondere von funktionellen Materialien zu untersuchen und deren Eigenschaften in Tiefe der Struktur zu verstehen Das ist in vielen modernen Anwendungen wie Elektronik Computerchips Halbleitertechnik Solarzellen Batterien Beleuchtung Metallen oder Isolatoren von Bedeutung Zu den wichtigen Methoden zahlen Die Rontgenbeugung nutzt den Effekt der Beugung von Rontgenstrahlen an Kristallgittern zur Untersuchung der Symmetrieeigenschaften von Festkorpern die in 230 verschiedenen sogenannten Raumgruppen vorliegen Dazu werden Rontgendiffraktometer eingesetzt Materialien konnen damit auch auf ihre Qualitat und Reinheit sowie die Kristallitgrosse untersucht werden Die Neutronenbeugung nutzt denselben Beugungseffekt mit den gleichen Grundprinzipien wie die Rontgenbeugung jedoch werden statt der Rontgenstrahlen Neutronen eingesetzt die meist in Forschungskernreaktoren bereitgestellt werden Aufgrund der anderen Welleneigenschaften des massereichen Neutrons gegenuber der Rontgenstrahlung sind die Diffraktometer sehr gross meist mehrere Meter Neben den 230 Raumgruppen lassen sich insbesondere magnetische Ordnungen in Kristallen untersuchen Unter Hinzuziehung des Spins erweitern sich die magnetischen Raumgruppen auf 1651 Mit Magnetometern werden insbesondere die magnetischen Eigenschaften untersucht Eine der haufigen Methoden ist das SQUID in Verbindung mit Kryostaten um die verschiedenen Arten des Magnetismus zu bestimmen und die magnetischen Phasendiagramme zu ermitteln Mit Tracerdiffusion wird die Diffusion von Atomen und Ionen in Kristallen untersucht Dies ist wichtig bei Dotierungsprozessen oder fur die Temperaturstabilitat von Materialien z B bei der Festoxidbrennstoffzelle Wahrend die bisherigen Methoden makroskopische Eigenschaften messen konnen mit Methoden der Nuklearen Festkorperphysik lokale Strukturen auf atomarer Ebene untersucht werden indem Atomkerne als Sonde verwendet werden Damit kann z B die Grosse des magnetischen Feldes am Ort des Kerns gemessen werden oder auch lokale Defekte im Kristallgitter Eine andere wichtige Grosse sind elektrische Feldgradienten mit denen die lokale Struktur und deren Anderung bei Temperaturanderung oder Konzentrationsanderung bestimmter Komponenten im Material erforscht wird Messmethoden sind z B Mossbauer Spektroskopie Gestorte Gamma Gamma Winkelkorrelation Kernspinresonanzspektroskopie oder Myonenspinspektroskopie Literatur BearbeitenGrundlagen Bearbeiten Rudolf Gross Achim Marx Festkorperphysik 4 Auflage De Gruyter Oldenbourg Boston 2022 ISBN 978 3 11 078234 9 Konrad Kopitzki Peter Herzog Einfuhrung in die Festkorperphysik Springer Berlin Heidelberg Berlin Heidelberg 2017 ISBN 978 3 662 53577 6 doi 10 1007 978 3 662 53578 3 Philip Hofmann Einfuhrung in die Festkorperphysik Lehrbuch Physik Wiley VCH Weinheim 2013 ISBN 978 3 527 41226 6 Harald Ibach Hans Luth Festkorperphysik Springer Lehrbuch Springer Berlin Heidelberg Berlin Heidelberg 2009 ISBN 978 3 540 85794 5 doi 10 1007 978 3 540 85795 2 Ludwig Bergmann Clemens Schaefer Festkorper Hrsg Ludwig K Thomas u a Lehrbuch der Experimentalphysik Band 6 2 uberarb Auflage Walter de Gruyter 2005 ISBN 978 3 11 017485 4 doi 10 1515 9783110198157 Weiterfuhrend Bearbeiten Wolfram Hergert R Matthias Geilhufe Group Theory in Solid State Physics and Photonics Wiley VCH Weinheim 2018 ISBN 978 3 527 41300 3 Gerd Czycholl Theoretische Festkorperphysik Band 1 Springer Berlin Heidelberg Berlin Heidelberg 2016 ISBN 978 3 662 47140 1 doi 10 1007 978 3 662 47141 8 Gerd Czycholl Theoretische Festkorperphysik Band 2 Springer Berlin Heidelberg Berlin Heidelberg 2017 ISBN 978 3 662 53700 8 doi 10 1007 978 3 662 53701 5 Klassiker Bearbeiten Charles Kittel Introduction to Solid State Physics 9 Global edition Auflage Wiley Hoboken NJ 2018 ISBN 978 1 119 45416 8 englisch Deutsche Ausgabe Charles Kittel Einfuhrung in die Festkorperphysik 15 unverand Auflage Oldenbourg Munchen 2013 ISBN 978 3 486 59755 4 Neil Ashcroft David Mermin Festkorperphysik 4 verbesserte Auflage Oldenbourg Verlag Munchen 2013 ISBN 978 3 486 71301 5 Joseph Callaway Quantum Theory of the Solid State 2 Auflage Academic Press Boston 1991 ISBN 978 0 12 155203 9 englisch archive org Christian Weissmantel Claus Hamann Grundlagen der Festkorperphysik Hochschulbucher fur Physik Band 42 3 Auflage Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin 1989 ISBN 978 3 326 00381 8 springer com Charles Kittel Ching Y Fong Quantum Theory of Solids 2 Auflage Wiley New York 1987 ISBN 978 0 471 62412 7 englisch archive org J M Ziman Principles of the theory of solids 2 Auflage University Press Cambridge UK 1972 ISBN 978 0 521 08382 9 englisch archive org Joseph Callaway Energy Band Theory Pure and Applied Physics Band 16 Academic Press New York London 1964 englisch archive org Einzelnachweise Bearbeiten Sektion Kondensierte Materie SKM DPG 9 Januar 2023 abgerufen am 31 Januar 2023 M Popescu H Bradaczek Microparacrystalline model for medium range order in non crystalline chalcogenides In Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Band 3 Nr 2 Juni 2001 S 249 254 dtic mil PDF 437 kB abgerufen am 21 September 2016 Horst Gunter Rubahn Frank Balzer Laseranwendungen an harten und weichen Oberflachen Springer Verlag 2005 ISBN 978 3 519 00490 5 S 1 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Julio A Gonzalo Carmen Arago Lopez Great Solid State Physicists of the 20th Century WORLD SCIENTIFIC 2003 ISBN 978 981 238 336 5 doi 10 1142 5245 englisch Andreas Battenberg Red Supraleitung im Land der schweren Elektronen Wechselspiel von elektronischem Magnetismus Kernspins und Supraleitung In Nachrichten aus dem Physik Department Physik Department Technische Universitat Munchen 1 Februar 2016 abgerufen am 19 September 2016 Christian Pfleiderer Magnetische Wirbel im Festkorper In Physik Journal 8 9 Auflage Nr 15 Wiley VCH Weinheim 2016 pro physik de Normdaten Sachbegriff GND 4016921 2 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Festkorperphysik amp oldid 236228051