Einführung in die Festkörperphysik

Wann: Di 0815-0900

Do 0830-1000

Wo: HG II HS 2

Wer: Dieter SuterRaum P1-O1-216 Tel. 3512Dieter.Suter@physik.uni-dortmund.dehttp://e3.physik.uni-dortmund.de

Was: - Übersicht über die Phänomenologie- Verständnis für die mikroskopischen Grundlagen- Übersicht über die Untersuchungsmethoden (theor. + exp.)

ÜbungenWann: Do 1415-1600

Gruppeneinteilung: Listen

Übungsleiter: Dr. Reiner KüchlerRaum P1-O1-213, Tel. 3515

Dr. Burkhard GeilRaum P1-O1-212, Tel. 3520

Dr. Angelika SebaldRaum P1-E0-208, Tel. 3471

Wo: P1-02-111C2-02-176C2-02-326

ÜbungenWann: Do 1415-1600

Wie: - Übungszettel am Donnerstag in der Vorlesung.- Selbständiges Lösen + Abgabe in Kästen der Assistentenbis Dienstag.

- Besprechung in der Übungsstunde am Donnerstag.

Schein: - Erfolgreiche Teilnahme an der Klausur,≥ 1/3 der maximalen Punktezahl

- Abgabe von 10 Übungen;mindestens 1/2 der Aufgaben gelöst, resp. versucht zu lösen.

- Beteiligung während der Übungsstunde;wird beurteilt durch Assistenten.

Literatur1. K. Kopitzki

Einführung in die Festkörperphysik

Teubner Studienbücher

2. Ch. Kittel

R. Oldenburg, München

3. K. H. Hellwege

Springer-Verlag, Berlin

4. N. Ashcroft, N. MerminSolid state physicsHolt, Rinehart and Winston

5. Ibach-LüthFestkörperphysikSpringer

Einführung in die Festkörperphysik

Einführung in die Festkörperphysik Literatur

6. Bergmann - SchaeferLehrbuch der Experimentalphysik, Bd. 6Walter de Gruyter

kein Lehrbuch:

Festkörper

Mikroskopische Betrachtung

Atomare und elektronischeStruktur

100

110

102

Indizierung von Kristallebenen

Kristalle

Ziel der Festkörperphysik ist ein besseresVerständnis von Materialeigenschaften

Themen der Festkörperphysik

Grundlagen

mikroskopischeStruktur

Anwendungen

Halbleiter, Laser,Supraleiter, ...

Dortmunder Spezialität:Spektroskopie auf allen Skalen (RF bis Röntgen)

Weiche Materialien,Molekulare Systeme

Oberflächendominierteund mikrostrukturierte

Materialien, Cluster

Gläser,amorphe Materialien

dazu gehören auch:

⇔

etwas weiter gefasst Kondensierte Materie

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1970 1980 1990 2000

PRAPRBPRCPRDPREPRL

Quelle: Phys. Rev. / APS1000

Man

uskr

ipte

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Kalenderjahr

Quantitative Entwicklung des Gebietes

Materialien bleiben wichtig.

Die Festkörperphysik bleibt eine wichtige Grundlage.

Zukunft

Was ist Festkörperphysik ?

ÜbungenWas ist Festkörperphysik ?

More is DifferentEs sind die kollektiven Phänomene, also Phänomene, bei denenviele Teilchen zusammenwirken, die neue Physik hervorbringen.

Beispiele:Supraleitung

Alle Elektronen rotten sich im Wechselspiel mit dem Kristallgitterzu einem makroskopischen Quantenzustand zusammen, derwiderstandsfrei Strom führen kann.

Fraktionaler Quanten-Hall-EffektIm Zusammenwirken von Elektronen bildet sich inzweidimensionalen Systemen ein Ladungsträgersystem mitquantisiertem Hallwiderstand aus.

Festkörperphysik wird für Sie eine neue „Art“ derBehandlung physikalischer Probleme darstellen:

Ein Kristall ist aus einer extrem großen Anzahl (> 1020)von Teilchen aufgebaut. Dies schließt eine exakte Lösungvon Problemen a priori aus. Stattdessen muss aufNäherungsverfahren zurückgegriffen werden.

Das zentrale Problem ist, Näherungen so geschicktdurchzuführen, dass einerseits das Problem lösbar wird,andererseits noch alle wesentlichen physikalischenFaktoren erfasst werden.

Was ist Festkörperphysik ?

Letztlich versucht man die Probleme auf ein Niveau zu verein-fachen, auf dem die physikalischen Phänomene durch einzelneAnregungen oder Teilchen beschrieben werden:Das gemeinsame Verhalten vieler Teilchen wird so beschrieben,dass sich neue ‚künstliche‘ Teilchen ergeben.

ÜbungenWie geht das ?

Bei der Beschreibung von Phänomenen wird dann• das Verhalten eines durch Modellbildung erzeugten

‚Teilchens‘• das Verhalten einer großen Anzahl solcher Teilchen in

einem kollektiven Zustandbetrachtet.

Festkörperphysik istQuasi-(Elementar)- Teilchenphysik.

1. Einleitung

1. 1. Organisatorisches

1. 2. Themen

1. 3. Festkörperphysik in Dortmund

2. Symmetrie und Struktur

3. Bindungen im Festkörper

4. Gitterschwingungen und Phononen

5. Freie Elektronen

6. Fast freie Elektronen: Bandstrukturen

7. Halbleiter

8. Magnetismus

9. Supraleitung

Inhaltsübersicht

2) Symmetrie und Struktur

Hochtemperatur - SupraleiterProteine

3) Bindungen im FestkörperKovalente Bindung in Ge

Wasserstoffbrücke in H20

Ionische Bindungin NaCl

4) Gitterschwingungen und Phononen

a

λ

Interatomare Kräfte

Wellen

Wellenausbreitung

5) Freie Elektronen

Fermi + + + + +

+ + + + +

+ + + + +

-

--

-

Atomrümpfe:- klein- statisch

Valenzelektronen:- ballistische Bewegung- kurze Stöße

6) Bandstrukturen

Metall Isolator Halbleiter

Elektronen imperiodischen Potenzial

Bänder

Bandstruktur und Leitfähigkeit

7) HalbleiterMikroelektronik

Optoelektronik

Transistor

8) Magnetismus

Magnetische Datenspeicher

MagnetischeDomänen

Entdeckung der Supraleitung durchKammerlingh Onnes (Leiden, 1911)

9) Supraleiter

Japanischer Hochgeschwindigkeitszug

Meissner Effekt

Festkörperphysik

Elementarteil-chenphysik

EIV (C4)

EV (C4, C3)

TIII (C4, C3)

TIV (C4)

Didaktik

DP (C4)

Beschleuni-gerphysik

BP (C4, C3)

IBS, Delta

Nutzer

EI (C4, C3)

EII (C4, C3)

EIII (C4, C3)

TI (C4)

TII (C4, C3)

Fachbereich Physik

Quelle:

Laserrf Synthesizer...

Probe:

FestkörperFlüssigkeit...

Detektor:

PhotodiodeTransistor...

Experiment Spektroskopie

∆E = hν

Probe

Prinzip: resonante AbsorptionWelle /Teilchen

νλ

ItransmittierteLeistung als Funktionder Frequenz= Spektrum

Resultat

Dortmunder

Elektronen

Testspeicher

Anlage

DELTA

DELTA

PrinzipDie MR misst Übergänge zwischenunterschiedlichen Spin-Zuständen. Diesewerden durch ein magnetisches Wechselfeldim Radiofrequenzbereich angeregt.

rf

B

B

E

Geschichte

1945 Kernspinresonanz durch

Bloch, Hansen,Packard (Stanford)und (unabhängig)

Purcell, Pound,Torrey (MIT)

1944 Elektronenspinresonanz

durch Y.K. Zavoysky (Kazan)

Magnetische Resonanz

Magnetfeld undResonanzfrequenznehmen von links

nach rechts zu

Um feststellen zu können, wo im Körper sichSpins befinden, muß das Signal ortsabhängiggemacht werden.

Dies geschieht über ein Magnetfeld dessen Stärkeals Funktion des Ortes variiert. Dabei erfolgt eineProjektion auf die Richtung des Feldgradienten.

x

y

z

Bildgebende MR

Empfindlichkeit

Mg+ Ion

Zeitliche Auflösung:10-14 sec∆t < → E I I

Spektrale Auflösung:∆ν/ν > 1015

HalbleiterLB

VB

Atome

|g>

|e>

Zustände und Systeme

PrinzipLaserlicht bringtein System inenergetischhöherliegendeZustände

Laserspektroskopie

Cytochrom

Rund 30% aller Enzyme enthalten mindestens ein Metallion, welchesfür die Funktion des Proteins unentbehrlich ist.

Beispiele:Elektronenübertragung, Atmung

Elektronenspinresonanz (ESR) ist ein sehr nützliches Hilfsmittel fürUntersuchungen über die Struktur des aktiven Zentrums.Wir verwenden besonders optische Nachweismethoden.

Metalloproteine

werden inHalbleiterlasernverwendet

stellen eineRealisierung des"Teilchens imPotenzialtopf"dar.

Quantenfilme(=Quantentöpfe)

GaAs Quantenfilme

Fullerene als Qubits