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Festkörperphysik

Festkörperphysik, 6 SWS, (9 cr)
Dr. Torsten Pietsch, Prof. Dr. Elke Scheer

Organisatorisches: pdf - 19.10.2015

Mo 13:30 - 15:00, R 513
Fr 11:45 - 13:15, R 513

Der Kurs gibt eine Übersicht über die grundlegenden Eigenschaften kristalliner Festkörper:
Metalle, Isolatoren und Halbleiter. Im Mittelpunkt stehen dabei die strukturellen, thermischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften dieser Materialien. Kollektive Phänomene wie Supraleitung und Magnetismus werden phänomenologisch und mikroskopisch gedeutet.

Übungen:

Do 08:15 - 09:45: G 0300, Z 1003
Do 10:00 - 11:30: P 0601
Do 11:45 - 13:15: P 0601
Do 13:30 - 15:00: P 1012, P 0601

Klausur:

17.2.2016, 13:30 - 17:30, R711 + R712

Nachklausur:

5.4.2016, 09:00 - 13:00, P603

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Inhalt

Inhalt und Literaturhinweise als pdf

1.  Bindungstypen

1.1          Allgemeines
1.2          Kovalente Bindung
1.3          Ionenbindung
1.4          Metallische Bindung
1.5          Van der Waals-Bindung
1.6          Wasserstoff-Brückenbindung
1.7          Zusammenfassung

2.  Kristallstrukturen

2.1          Punktgitter, Elementarzelle, Basis
2.2          Symmetrieeigenschaften der Kristalle
2.3          Fundamentale Gittertypen („Bravais-Gitter“)
2.4          Einfache Kristallstrukturen
2.5          Indizierung von Kristallebenen und Kristallrichtungen

3.  Beugung und reziprokes Gitter

3.1          Allgemeines zur Beugung
3.2          Streuung an periodischen Strukturen
3.3          Beugungsbedingung nach Laue
3.4          Reziprokes Gitter
3.5          Beugungsbedingungen im reziproken Gitter
3.6          Brillouin-Zonen
3.7          Strukturfaktor
3.8          Atomstreufaktor (Formfaktor)
3.9          Temperaturabhängigkeit der Streuintensität: Debye-Waller Faktor
3.10       Methoden der Strukturanalyse

4.  Gitterdynamik

4.1          Adiabatische Näherung
4.2          Das Potential, harmonische Näherung
4.3          Lineare einatomige Kette
4.4          Lineare zweiatomige Kette
4.5          Schwingungen des dreidimensionalen Gitters
4.6          Quantisierung der Gitterschwingungen
4.7          Streuung an zeitlich veränderlichen Strukturen
4.8          Bestimmung von Phononen-Dispersionsrelationen

5. Thermische Eigenschaften des Gitters

5.1          Mittlere thermische Energie eines harmonischen Oszillators
5.2          Spezifische Wärme des Gitters
5.3          Anharmonische Effekte: Thermische Ausdehnung & Wärmeleitfähigkeit des Gitters


6.  Das freie Elektronengas

6.1          Drude-Modell: Elektrische &Thermische Eigenschaften
6.2          Sommerfeld-Modell: Grundzustand des freien Elektronengases
6.3          Thermische Anregungen im freien Elektronengas: Fermi-Dirac-Verteilung
6.4          Spezifische Wärme im Sommerfeld-Modell
6.5          Transporteigenschaften im Sommerfeld-Modell

7.  Elektronen im periodischen Potential

7.1          Bloch-Zustände
7.2          Elektronen im schwachen periodischen Potential
7.3          Brillouin-Zonen und Fermi-Flächen
7.4          Näherung für stark gebundene Elektronen

8.  Halbklassische Dynamik und Kristallelektronen

8.1          Halbklassische Bewegungsgleichungen
8.2          Effektive Masse, Elektronen und Löcher
8.3          Boltzmann-Gleichung
8.4          Elektronische Streuprozesse in Metallen

9.  Halbleiter

9.1          Allgemeine Eigenschaften: Bandstruktur
9.2          Konzentration der Ladungsträger,
9.3          Dotierte Halbleiter, Transporteigenschaften
9.4          Der pn-Übergang

10.  Optische Eigenschaften von Festkörpern

10.1     Isolatoren und Halbleiter
10.2     Metalloptik

11.  Einige magnetische Eigenschaften

11.1       Magnetismus der Leitungselektronen
11.2       Magnetische Wechselwirkungen

12.  Supraleitung

12.1       Allgemeine Eigenschaften
12.2       Phänomenologische Modelle

Literatur

• H. Ibach, H. Lüth: Festkörperphysik
LBS Springer, 7. Auflage 2009

• C. Kittel: Einführung in die Festkörperphysik
LBS Oldenbourg, 14. Auflage 2005

• K. Kopitzki: Einführung in die Festkörperphysik
LBS Teubner, 4. Auflage 2002

• Ashcroft, Mermin: Solid State Physics
LBS Holt-Saunders, 1976

• Gerthsen-Kneser-Vogel Meschede Physik, Springer 24. Auflage 2010

• H. Stokes Solid State Physics
stokes.byu.edu/textbooks.html

• R. Groß, D. Marx Skriptum Festkörperphysik I +II
www.wmi.badw.de/teaching/Lecturenotes/index.html