SHFestkoerper

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A) Strukturelle Eigenschaften der Festkörper
Bindung
Bindungstypen
Charakteristische Beispiele
Berechnung der Bindungsenergie, typische Werte
Testfragen:
Warum ist Diamant so hart? Welche Bindung tritt auf, welche Atomorbitale sind
beteiligt?
Worauf beruht die metallische Bindung? Wie groß sind typische
Bindungsenergien?
Wo spielt die Wasserstoffbrückenbindung eine wichtige Rolle? Wie kommt sie
zustande?
Struktur
Klassifizierung der Festkörper
Herstellung (Einkristalle, Gläser)
Kristalle: Elementarzelle, Translationsvektor, Basis
Symmetrieeigenschaften und Gittertypen (wichtige Beispiele)
Quasikristalle
Struktur amorpher Festkörper, Paarkorrelationsfunktion
Testfragen:
Wodurch unterscheidet sich die atomare Ordnung im Einkristall von der im
amorphen Festkörper?
Was ist eine primitive Elementarzelle?
Was ist ein Bravais-Gitter?
Warum haben NaCl und CsCl unterschiedliche Kristallgitter?
Welche Struktur hat Diamant? Wo kommt die Diamantstruktur noch vor?
Welche Kristalle haben die höchste Packungsdichte?
Strukturbestimmung
Atomare Abbildung der Oberfläche
Strukturbestimmung durch Streuexperimente: Röntgen- und Neutronstreuung
Reziprokes Gitter und Brillouin-Zone
Gitterebenen, Millersche Indizes
Streuamplitude, atomarer Streufaktor
* Phasenproblem
* Streuung an amorphen Festkörpern
Experimentelle Messmethoden
Testfragen:
Mit welchen Methoden kann man Atome an der Oberfläche direkt abbilden?
Wo steckt im Beugungsbild die Information über die Gitterstruktur, über die
Basis und über die Elektronendichte?
Welche Bedeutung hat der reziproke Gittervektor bei der Strukturbestimmung?
Was ist die Ewald-Kugel?
Wie sieht eine Messanordnung zur Strukturbestimmung im Prinzip aus?
Wodurch unterscheiden sich Röntgen- und Neutronenstreuung?
Reale Festkörper
Punktdefekte
Versetzungen, Korngrenzen
Legierungen:
*Phasenübergang, Mischbarkeit
Testfragen:
Welche Punktdefekte gibt es und wie häufig treten sie auf?
Wo spielen sie eine wichtige Rolle?
Welchen Einfluss haben Versetzungen und Korngrenzen auf die mechanischen
Eigenschaften von Festkörpern?
Wie sind die Atome in Legierungen angeordnet?
*Kann man zwei Metalle beliebig mischen?
B) Gitterdynamik
Eigenschaften basierend auf der harmonischen Näherung
Elastische Eigenschaften, Schallausbreitung
Longitudinale und transversale Gitterschwingungen - Phononen
Akustische und optische Phononen
Dispersionsrelation
Messung der Dispersionsrelation mit Neutronstreuung
Gitterspektroskopie durch Infrarotabsorption und Lichtstreuung
Zustandsdichte der Phononen
Innere Energie und spezifische Wärme
Debye-Näherung, Debye-Frequenz, Debye-Temperatur
* Dispersionrelation in amorphen Materialien
* Spezifische Wärme amorpher Festkörper
Testfragen:
Wie kann man die Schallgeschwindigkeiten messen?
Warum ist  / a der größte sinnvolle Wellenvektor?
Wodurch unterscheiden sich akustische und optische Phononen?
Wie viele Phononenzweige gibt es?
Warum eignen sich Neutronen besonders gut zur Bestimmung der
Dispersionsrelation? Wie sieht ein typisches Experiment aus?
Warum sind Phononen „Quasiteilchen“?
Wie groß ist die spezifische Wärme von Festkörpern bei Zimmertemperatur?
Unterscheiden sich die spezifische Wärme von Isolatoren und Metalle?
Was versteht man unter Debyscher Näherung? Welche Dispersionsrelation wird
vorausgesetzt? Lässt sich diese Näherung auch auf Kristalle mit mehratomiger
Basis anwenden?
Wie verläuft die spezifische Wärme bei hohen und bei tiefen Temperaturen?
* Wie sieht die Dispersionsrelation amorpher Festkörper aus?
* Wie kann man die spezifische Wärme amorpher Festkörper bei tiefen
Temperaturen erklären?
Anharmonische Gittereigenschaften
Thermische Expansion
Phonon-Phonon Streuung
Wärmeleitfähigkeit von Dielektrika , Ursache des Wärmewiderstandes
Ballistische Phononausbreitung
* Wärmeleitung in eindimensionalen Systemen
* Wärmeleitung in amorphen Festkörpern
Testfragen:
In welchen Eigenschaften macht sich die Gitteranharmonizität bemerkbar?
Was versteht man unter Grüneisen-Parameter?
Welche Erhaltungssätze gelten bei der Phonon-Phonon-Streuung?
Was ist ein N-Prozess, was ist ein U-Prozess?
Warum hat die Wärmeleitfähigkeit ein Maximum?
* Was versteht man unter Casimir-Bereich?
* Wann zeigt ein Festkörper „eindimensionale Eigenschaften“?
C) Elektronen in Festkörpern
Eigenschaften des freien Elektronengases: Fermi-Energie, Zustandsdichte
Spezifischen Wärme der Elektronen
Elektronen im periodischen Potential: Bloch-Funktionen
Bändermodell, Energielücke
Stark gebundene Elektronen
Einfluss der Brillouin-Zone: Metalle, Isolatoren, Halbleiter
Messung der Energiedispersionskurven der Elektronen
Elektronen im elektrischen Feldern
Effektive Elektronenmasse
Elektronen und Löcher
Elektronenstreuung an Phononen und Defekten
Transportphänomene: Temperaturabhängigkeit der elektrische und der
Wärmeleitfähigkeit
Wiedemann-Franz Gesetz
Elektronen im Magnetfeld:
Zyklotronresonanz
Quantisierung im Magnetfeld: Landau-Niveaus
* De-Haas-van-Alphen-Effekt
Hall-Effekt,
* Quanten-Hall-Effekt
Testfragen:
Warum tragen freie Elektronen nur wenig zur spezifischen Wärme bei?
Wodurch wird die Größe der Energielücke bestimmt?
Wie viele Energieniveaus enthält ein Band?
Warum tragen volle Bänder nicht zur elektrischen Leitfähigkeit bei?
Warum sind die Erdalkali metallisch?
Welche Rolle spielt die effektiven Masse, warum kann sie negativ sein?
Welche Eigenschaften haben Löcher?
Wie bewegt sich die Fermi-Kugel im reziproken Raum?
Woran werden Elektronen gestreut?
Wie hängen elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit zusammen?
Wie vergleichen sich die Wärmeleitfähigkeiten von Isolatoren und Metallen?
* Wie kann man die Fermi-Fläche bestimmen?
* Wie kommen die Plateaus beim Quanten-Hall-Effekt zustande?
D) Supraleitung
Sprungtemperatur
Meissner-Ochsenfeld-Effekt
Kritische Feldstärke
Londonsche Eindringtiefe
Mikroskopische Theorie der Supraleitung: Cooper-Paar, BCS-Theorie
Energielücke, experimenteller Nachweis
Makroskopische Wellenfunktion
Flussquantisierung
* Josephson-Effekt, SQUID
Supraleiter 1. und 2. Art
Hochtemperatur-Supraleiter
Testfragen:
Welche charakteristischen Eigenschaften unterscheiden Supraleiter vom
Normalleiter?
Was versteht man unter kritischem Feld?
Warum dringt das Magnetfeld in die Oberfläche von Supraleitern ein?
Wie koppeln die Elektronen eines Cooper-Paars?
Warum werden „gute“ Metalle nicht supraleitend?
Wie kann man die Energielücke messen?
* Was sind Quasiteilchen?
Was ist ein Flussquant?
* Welche Anwendung hat der Josephson-Effekt?
* Welche Magnetfelder lassen sich mit einem SQUID nachweisen?
* Welche Gemeinsamkeit haben Hochtemperatur-Supraleiter?
E) Halbleiter
Intrinsische Halbleiter
Wichtige Halbleiter
Bandlücke
Optische Absorption, direkte und indirekte Halbleiter
Konzentration von Elektronen und Löcher
Messung der effektiven Massen
Dotierte Halbleiter
Donatoren, Akzeptoren
Ladungsträgerkonzentration
Beweglichkeit der Ladungsträger, elektrische Leitfähigkeit
Charakteristischer Unterschied zwischen kristallinen und amorphen Halbleitern
Anwendungen: inhomogene Halbleiter
p-n-Übergang
Diode, Photodiode, LED, Solarzelle
Transistor, MOSFET
Heterostrukturen, Halbleiterlaser
Testfragen:
Warum können die Ladungsträger in Halbleiter wie ein klassisches Gas
beschrieben werden?
Wie hängt in dotierten Halbleitern die Ladungsträgerkonzentration von der
Temperatur ab?
Wie kann man die Ladungsträgerkonzentration messen?
Weshalb spielt Si (bisher) so eine herausragende Rolle in der
Halbleiterindustrie?
Wodurch kommt der gleichrichtende Charakter des p-n-Übergangs zustande?
Wie lässt sich die Verarmungszone vergrößern?
Warum eignet sich GaAs für LED’s, aber nicht reines Si oder Ge?
Wie funktioniert ein Halbleiter-Detektor?
Was bestimmt den Wirkungsgrad von Solarzellen?
Wie kommt es zum leitfähigen Kanal in MOSFETs?
Wie erzeugt man Heterostrukturen?
F) Magnetische Eigenschaften
Diamagnetismus
Paramagnetismus, Curie-Gesetz, Temperaturmessung bei tiefen Temperaturen
Ferromagnetismus
Curie-Temperatur, spontane Magnetisierung
Molekularfeldnäherung,
Grundidee der Austauschwechselwirkung (Ursache der spontanen
Magnetisierung)
Wechselwirkung delokaliserter 3d-Elektronen
Einfluss der Bandstruktur am Beispiel Ni / Cu
* Spinwellen
Antiferromagnetismus, Neel-Temperatur
Testfragen:
Welches magnetische Verhalten zeigen dia-, para, und ferromagnetische
Substanzen?
Wie kommt das 1/T-Gesetz paramagnetischer Substanzen zustande?
Warum benutzt man paramagnetische Substanzen zur Temperaturmessung?
Wodurch unterscheiden sich Curie- und Curie-Weiss-Gesetz?
Was passiert bei der Curie- bzw. Neel-Temperatur?
Was ist die physikalische Ursache der spontanen Magnetisierung in
Ferromagneten?
Welche Rolle spielt die Wechselwirkung zwischen den magnetischen Dipolen?
Warum sind Eisenproben normalerweise unmagnetisch obwohl die CurieTemperatur weit über der Zimmertemperatur liegt?
G) Dielektrische und optische Eigenschaften
Lokales Feld
Elektrische Suszeptibilität und elektrische Polarisierbarkeit
Beiträge zur Polarisierbarkeit vs. Frequenz in Dielektrika
Optische Phononen in Ionenkristallen
Infrarotabsorption
Relaxationseffekte: Orientierungspolarisation
* Exzitonen
Freie Elektronen: Plasmafrequenz und optisches Verhalten von Metallen
Testfragen:
Wie funktioniert der Mikrowellenherd?
Warum spiegeln Metalle sichtbares Licht?
Bei welchen Wellenlängen werden Metalle transparent?
Wie funktioniert die Wärmeschutzbedampfung von Fenstern?
Welche Effekte tragen zur Absorption elektromagnetischer Wellen im
Festkörper bei?
Warum sind viele Halbleiter im optischen Bereich durchsichtig?
Skizzieren Sie den Photoabsorptionskoeffizienten vs. Frequenz für einen polaren
Halbleiter.
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