Festkörperphysik Einführung in die Grundlagen ; mit 100 Übungen

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Bibliographische Detailangaben
Hauptverfasser:	Ibach, Harald 1941- (VerfasserIn), Lüth, Hans 1940- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Berlin [u.a.] Springer 1999
Ausgabe:	5., erw. und aktualisierte Aufl.
Schriftenreihe:	Springer-Lehrbuch
Schlagworte:	Festkörperphysik Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
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adam_text	HARALD IBACH HANS L¨ UTH FESTK ¨ ORPERPHYSIK EINF¨ UHRUNG IN DIE GRUNDLAGEN F¨ UNFTE, ERWEITERTE UND AKTUALISIERTE AUAGE MIT 263 ABBILDUNGEN, 17 TAFELN UND 100 ¨ UBUNGEN 1 3 PROFESSOR DR. HARALD IBACH INSTITUT F¨ UR GRENZ¨ ACHENFORSCHUNG UND VAKUUMPHYSIK, FORSCHUNGSZENTRUM J¨ ULICH GMBH, D-52425 J¨ ULICH UND RHEINISCH-WESTF¨ ALISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE, D-52062 AACHEN E-MAIL: H.IBACH@FZ-JUELICH.DE PROFESSOR DR. HANS L¨ UTH INSTITUT F¨ UR SCHICHT- UND IONENTECHNIK, FORSCHUNGSZENTRUM J¨ ULICH GMBH, D-52425 J¨ ULICH UND RHEINISCH-WESTF¨ ALISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE, D-52062 AACHEN E-MAIL: H.LUETH@FZ-JUELICH.DE ISBN 3-540-66074-7 5. AUAGE SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG NEW YORK ISBN 3-540-58575-3 4. AUAGE SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG NEW YORK DIE DEUTSCHE BIBLIOTHEK * CIP-EINHEITSAUFNAHME IBACH, HARALD: FESTK¨ ORPERPHYSIK: EINF¨ UHRUNG IN DIE GRUNDLAGEN/ HARALD IBACH; HANS L¨ UTH. * 5., ERW. UND AKTUALISIERTE AU. BERLIN; HEIDELBERG; NEW YORK; BARCELONA; HONGKONG; LONDON; MAILAND; PARIS; SINGAPUR; TOKIO; SPRINGER, 1999 (SPRINGER-LEHRBUCH) ISBN 3-540-66074-7 DIESES WERK IST URHEBERRECHTLICH GESCH¨ UTZT. DIE DADURCH BEGR¨ UNDETEN RECHTE, INSBESONDERE DIE DER UEBERSETZUNG, DES NACHDRUCKS, DES VORTRAGS, DER ENTNAHME VON ABBILDUNGEN UND TABELLEN, DER FUNK- SENDUNG, DER MIKROVERLMUNG ODER DER VERVIELF¨ ALTIGUNG AUF ANDEREN WEGEN UND DER SPEICHERUNG IN DATENVERARBEITUNGSANLAGEN, BLEIBEN, AUCH BEI NUR AUSZUGSWEISER VERWERTUNG, VORBEHALTEN. EINE VER- VIELF¨ ALTIGUNG DIESES WERKES ODER VON TEILEN DIESES WERKES IST AUCH IM EINZELFALL NUR IN DEN GRENZEN DER GESETZLICHEN BESTIMMUNGEN DES URHEBERRECHTSGESETZES DER BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND VOM 9. SEP- TEMBER 1965 IN DER JEWEILS GELTENDEN FASSUNG ZUL¨ ASSIG. SIE IST GRUNDS¨ ATZLICH VERG¨ UTUNGSPICHTIG. ZUWI- DERHANDLUNGEN UNTERLIEGEN DEN STRAFBESTIMMUNGEN DES URHEBERRECHTSGESETZES. SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG 1981, 1988, 1990, 1995, 1999 PRINTED IN GERMANY DIE WIEDERGABE VON GEBRAUCHSNAMEN, HANDELSNAMEN, WARENBEZEICHNUNGEN USW. IN DIESEM WERK BE- RECHTIGT AUCH OHNE BESONDERE KENNZEICHNUNG NICHT ZU DER ANNAHME, DA* SOLCHE NAMEN IM SINNE DER WARENZEICHEN- UND MARKENSCHUTZ-GESETZGEBUNG ALS FREI ZU BETRACHTEN W¨ AREN UND DAHER VON JEDERMANN BENUTZT WERDEN D¨ URFTEN. SATZ: K + V FOTOSATZ, BEERFELDEN EINBANDGESTALTUNG: DESIGN & PRODUCTION GMBH, HEIDELBERG DRUCK UND EINBAND: DRUCKEREI ST¨ URTZ, W¨ URZBURG SPIN: 10732609 56/3144/BA - 5 4 3 2 1 0 * GEDRUCKT AUF S¨ AUREFREIEM PAPIER 1. DIE CHEMISCHE BINDUNG IN FESTKO ERPERN . . . . . . . . . . . 1 1.1 DAS PERIODENSYSTEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 KOVALENTE BINDUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 DIE IONENBINDUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 METALLISCHE BINDUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 DIE WASSERSTOFFBRU ECKENBINDUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.6 DIE VAN DER WAALS-BINDUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2. DIE STRUKTUR VON FESTKO ERPERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 FESTKO ERPERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3. DIE BEUGUNG AN PERIODISCHEN STRUKTUREN . . . . . . . . . . 51 3.1 DIE ALLGEMEINE BEUGUNGSTHEORIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2 PERIODISCHE STRUKTUREN UND REZIPROKES GITTER . . . . . . . . . 56 3.3 DIE STREUBEDINGUNG BEI PERIODISCHEN STRUKTUREN . . . . . . 58 3.4 DIE BRAGGSCHE DEUTUNG DER BEUGUNGSBEDINGUNG . . . . . . 60 3.5 DIE BRILLOUINSCHEN ZONEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.6 DER STRUKTURFAKTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.7 METHODEN DER STRUKTURANALYSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 TAFEL I: BEUGUNGSEXPERIMENTE MIT VERSCHIEDENEN TEILCHEN . . . 72 TAFEL II: RO ENTGENINTERFEROMETER UND RO ENTGENTOPOGRAPHIE . . . . 78 4. DYNAMIK VON ATOMEN IN KRISTALLEN . . . . . . . . . . . . . . 83 4.1 DAS POTENTIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2 DIE BEWEGUNGSGLEICHUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3 DIE LINEARE ZWEIATOMIGE KETTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.4 STREUUNG AN ZEITLICH VERA ENDERLICHEN STRUKTUREN PHONONENSPEKTROSKOPIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.5 ELASTISCHES VERHALTEN VON KRISTALLEN . . . . . . . . . . . . . . . . 94 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 TAFEL III: RAMAN-SPEKTROSKOPIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 INHALTSVERZEICHNIS 5. THERMISCHE EIGENSCHAFTEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.1 DIE ZUSTANDSDICHTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.2 THERMISCHE ENERGIE EINES HARMONISCHEN OSZILLATORS . . . 117 5.3 SPEZIFISCHE WA ERME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.4 ANHARMONISCHE EFFEKTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.5 THERMISCHE AUSDEHNUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.6 WA ERMELEITUNG DURCH PHONONEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 TAFEL IV: EXPERIMENTE BEI TIEFEN TEMPERATUREN . . . . . . . . . . . . 132 6. 1FREIE ELEKTRONEN IM FESTKO ERPER . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.1 DAS FREIE ELEKTRONENGAS IM POTENTIALKASTEN . . . . . . . . . . 138 6.2 DAS FERMI-GAS BEI T =0 K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3 FERMI-STATISTIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.4 SPEZIFISCHE WA ERME DER METALLELEKTRONEN . . . . . . . . . . . . 147 6.5 ELEKTROSTATISCHE ABSCHIRMUNG IN EINEM FERMI-GAS MOTT-UBERGANG . . . . . . . . . . . . . . 151 6.6 GLU EHEMISSION AUS METALLEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 7. ELEKTRONISCHE BA ENDER IN FESTKO ERPERN . . . . . . . . . . . . 161 7.1 ALLGEMEINE SYMMETRIEEIGENSCHAFTEN . . . . . . . . . . . . . . . 162 7.2 NA EHERUNG DES QUASIFREIEN ELEKTRONS . . . . . . . . . . . . . . . 165 7.3 NA EHERUNG VOM 1STARK GEBUNDENEN ELEKTRON HER . . . . . . 170 7.4 BEISPIELE VON BANDSTRUKTUREN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.5 ZUSTANDSDICHTEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 7.6 ZUSTANDSDICHTE NICHTKRISTALLINER FESTKO ERPER . . . . . . . . . . 181 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 TAFEL V: PHOTOEMISSIONSSPEKTROSKOPIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 8. MAGNETISMUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 8.1 DIA- UND PARAMAGNETISMUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 8.2 AUSTAUSCHWECHSELWIRKUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 8.3 AUSTAUSCHWECHSELWIRKUNG ZWISCHEN FREIEN ELEKTRONEN . 200 8.4 DAS BANDMODELL FU ER DEN FERROMAGNETISMUS . . . . . . . . . 202 8.5 DAS TEMPERATURVERHALTEN EINES FERROMAGNETEN IM BANDMODELL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 8.6 FERROMAGNETISCHE KOPPLUNG BEI LOKALISIERTEN ELEKTRONEN 209 8.7 ANTIFERROMAGNETISMUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 8.8 SPINWELLEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 TAFEL VI: MAGNETOSTATISCHE SPINWELLEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 TAFEL VII: OBERFLA ECHENMAGNETISMUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 9. BEWEGUNG VON LADUNGSTRA EGERN UND TRANSPORTPHA ENOMENE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 9.1 BEWEGUNG VON LADUNGSTRA EGERN IN BA ENDERN DIE EFFEKTIVE MASSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 9.2 STRO EME IN BA ENDERN UND DEFEKTELEKTRONEN . . . . . . . . . . . 233 XII INHALTSVERZEICHNIS 9.3 STREUUNG VON ELEKTRONEN IN BA ENDERN . . . . . . . . . . . . . . . 235 9.4 BOLTZMANN-GLEICHUNG UND RELAXATIONSZEIT . . . . . . . . . . . 239 9.5 DIE ELEKTRISCHE LEITFA EHIGKEIT VON METALLEN . . . . . . . . . . . 244 9.6 THERMOELEKTRISCHE EFFEKTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 9.7 DAS WIEDEMANN-FRANZ-GESETZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.8 ELEKTRISCHE LEITFA EHIGKEIT DURCH LOKALISIERTE ELEKTRONEN . . 255 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 TAFEL VIII: QUANTENOSZILLATIONEN UND DIE TOPOLOGIE VON FERMI-FLA ECHEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10. SUPRALEITUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 10.1 EINIGE GRUNDPHA ENOMENE DER SUPRALEITUNG . . . . . . . . . . . 265 10.2 PHA ENOMENOLOGISCHE BESCHREIBUNG DURCH LONDON-GLEICHUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 10.3 INSTABILITA ET DES 1FERMI-SEES UND COOPER-PAARE . . . . . . . 273 10.4 DER BCS-GRUNDZUSTAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 10.5 DAS ANREGUNGSSPEKTRUM DES SUPRALEITERS . . . . . . . . . . . . 287 10.6 KONSEQUENZEN DER BCS-THEORIE UND VERGLEICH MIT EXPERIMENTELLEN BEFUNDEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 10.7 SUPRASTROM UND KRITISCHER STROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 10.8 KOHA ERENZ DES BCS-GRUNDZUSTANDES UND MEISSNER-OCHSENFELD-EFFEKT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 10.9 QUANTISIERUNG DES MAGNETISCHEN FLUSSES . . . . . . . . . . . . 305 10.10 SUPRALEITER 2. ART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 10.11 NEUARTIGE 1HOCHTEMPERATUR-SUPRALEITER . . . . . . . . . . . . . 316 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 TAFEL IX: EINELEKTRONEN-TUNNELN AN SUPRALEITERN . . . . . . . . . . . 327 TAFEL X: COOPER-PAAR-TUNNELN JOSEPHSON-EFFEKTE . . . . . . . . . 334 11. DIELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN DER MATERIE . . . . . . . . . . . 339 11.1 DIE DIELEKTRISCHE FUNKTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 11.2 ABSORPTION ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG . . . . . . . . . . . 342 11.3 DIE DIELEKTRISCHE FUNKTION FU ER HARMONISCHE OSZILLATOREN 345 11.4 LONGITUDINALE UND TRANSVERSALE EIGENSCHWINGUNGEN . . . . 348 11.5 OBERFLA ECHENWELLEN EINES DIELEKTRIKUMS . . . . . . . . . . . . . 350 11.6 DAS REFLEXIONSVERMO EGEN DES DIELEKTRISCHEN HALBRAUMS . 352 11.7 DAS LOKALE FELD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 11.8 POLARISATIONSKATASTROPHE UND FERROELEKTRIKA . . . . . . . . . . 356 11.9 DAS FREIE ELEKTRONENGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 11.10 INTERBAND-UBERGA ENGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 11.11 EXZITONEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 11.12 DIELEKTRISCHE ENERGIEVERLUSTE VON ELEKTRONEN . . . . . . . . . 368 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 TAFEL XI: SPEKTROSKOPIE MIT PHOTONEN UND ELEKTRONEN . . . . . . 375 TAFEL XII: INFRAROT-SPEKT ROSKOPIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 TAFEL XIII: DIE METHODE DER FRUSTRIERTEN TOTALREFLEXION . . . . . . 379 12. HALBLEITER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 12.1 DATEN EINIGER WICHTIGER HALBLEITER . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 INHALTSVERZEICHNIS XIII 12.2 LADUNGSTRA EGERDICHTE IM INTRINSISCHEN HALBLEITER . . . . . . 386 12.3 DOTIERUNG VON HALBLEITERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 12.4 LADUNGSTRA EGERDICHTE IN DOTIERTEN HALBLEITERN . . . . . . . . . 394 12.5 LEITFA EHIGKEIT VON HALBLEITERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 12.6 DER P-N -UBERGANG UND DER METALL/HALBLEITER-SCHOTTKY-KONTAKT . . . . . . . . . 405 12.7 HALBLEITERHETEROSTRUKTUREN UND UBERGITTER . . . . . . . . . . . 421 12.8 WICHTIGE HALBLEITERBAUELEMENTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 UBUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 TAFEL XIV: HALL-EFFEKT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 TAFEL XV: ZYKLOTRON-RESONANZ BEI HALBLEITERN . . . . . . . . . . . . 452 TAFEL XVI: SHUBNIKOV-DE HAAS-OSZILLATIONEN UND QUANTEN-HALL-EFFEKT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 TAFEL XVII: HALBLEITEREPITAXIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460 LITERATURVERZEICHNIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 SACHVERZEICHNIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE (VORDERE EINBANDRU ECKSEITE) KONSTANTEN UND OEQUIVALENTWERTE (HINTERE EINBANDRU ECKSEITE) XIV INHALTSVERZEICHNIS
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