Einführung in die Festkörperphysik
Wann: Di 0815-0900
Do 0830-1000
Wo: HG II HS 2
Wer: Dieter SuterRaum P1-O1-216 Tel. [email protected]://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
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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
