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Festkörperphysik

Teilgebiet der Ohysik, der sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand befasst

Die Festkörperphysik befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand. Von besonderer Bedeutung sind dabei kristalline Festkörper, das sind solche, die einen translationssymmetrischen (periodischen) Aufbau aufweisen, da diese Translationssymmetrie die physikalische Behandlung vieler Phänomene drastisch vereinfacht oder erst ermöglicht. Daher erfolgt die Anwendung des Modells des idealen Kristallgitters häufig auch dann, wenn die Bedingung der Periodizität nur sehr eingeschränkt, zum Beispiel nur sehr lokal erfüllt ist. Die Abweichung von der strengen Periodizität wird dann durch Korrekturen berücksichtigt.

Supraleiter gehören zum Forschungsgebiet der Festkörperphysik.

Erscheinungsformen von FestkörpernBearbeiten

Kristalline FestkörperBearbeiten

 
Vier Beispiele für kristalline Festkörper: Coltan, Kassiterit, Wolframit und Gold

Die Physik kristalliner Festkörper (Kristallphysik) befasst sich mit Festkörpern, die einen periodischen Aufbau aufweisen.

Teilkristalline SubstanzBearbeiten

Eine teilkristalline Substanz, die zwar eine gewisse Nahordnung im Bereich von 4,5 bis 6 nm aufweist, im Gegensatz zu einem Kristall aber keine ausgeprägte Fernordnung, ist ein Parakristall.

Amorphe FestkörperBearbeiten

 
Metallisches Glas ist ein amorpher Festkörper.

Die Physik amorpher Festkörper befasst sich mit Festkörpern, die keine Fernordnung aufweisen.

GrenzflächenphysikBearbeiten

Die Grenzflächenphysik befasst sich mit den Besonderheiten an Grenzflächen, die Oberflächenphysik ist ein Spezialfall der Grenzflächenphysik bei Grenzflächen zum Vakuum. Die physikalischen Eigenschaften der wenigen Atomlagen nahe der Grenzfläche unterscheiden sich aufgrund der nicht-periodischen Randbedingungen von der Physik im Inneren, das auch Volumen-Festkörper genannt wird.[1]

Ordnungszustände in FestkörpernBearbeiten

Bei der Beschreibung der Regelmäßigkeit im Aufbau des Festkörpers betrachtet man einerseits die Nahordnung im Bereich weniger Nanometer und andererseits die Fernordnung, die sich auf weit größere Entfernungen bezieht.

Nahordnung bis Fernordnung in Festkörpern
Zustand Reichweite der Ordnung Beispiel
amorph (Nahordnung) nächste und übernächste Teilchen Glas
nanokristallin Nanometer Parakristall
mikrokristallin Mikrometer Quarz
polykristallin Millimeter Polykristalliner Diamant
monokristallin (Fernordnung) Zentimeter monokristalline Ingots

Themengebiete moderner ForschungBearbeiten

Untersuchungsmethoden in der FestkörperphysikBearbeiten

In der Festkörperphysik, ähnlich wie in der Festkörperchemie, werden eine Reihe von Methoden verwendet, um die Eigenschaften insbesondere von funktionellen Materialien zu untersuchen und deren Eigenschaften in Tiefe der Struktur zu verstehen. Dies ist von Bedeutung in vielen modernen Anwendungen, wie Elektronik, Computerchips, Halbleitertechnik, Solarzellen, Batterien, Beleuchtung, Metalle, Isolatoren. Zu den wichtigen Methoden zählen:

Die Röntgenbeugung nutzt den Effekt der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallgittern zur Untersuchung der Symmetrieeigenschaften von Festkörpern, die in 230 verschiedenen sogenannten Raumgruppen vorliegen. Dazu werden Röntgendiffraktometer eingesetzt. Materialien können damit auch auf ihre Qualität und Reinheit sowie die Kristallitgröße untersucht werden.

Die Neutronenbeugung nutzt denselben Beugungseffekt mit den gleichen Grundprinzipien wie die Röntgenbeugung, jedoch werden statt der Röntgenstrahlen Neutronen eingesetzt, die meist in Forschungskernreaktoren bereit gestellt werden. Aufgrund der anderen Welleneigenschaften des massereichen Neutrons gegenüber der Röntgenstrahlung sind die Diffraktometer sehr groß, meist mehre Meter. Neben den 230 Raumgruppen lassen sich insbesondere magnetische Ordnungen in Kristallen untersuchen. Unter Hinzuziehung des Spins erweitert sich die magnetischen Raumgruppen auf 1651.

Mit Magnetometern werden insbesondere die magnetischen Eigenschaften untersucht. Eine der häufigen Methoden ist das SQUID in Verbindung mit Kryostaten, um die verschiedenen Arten des Magnetismus zu bestimmen und die magnetischen Phasendiagramme.

Mit Tracerdiffusion wird die Diffusion von Atomen und Ionen in Kristallen untersucht. Dies ist wichtig bei Dotierungsprozessen oder für die Temperaturstabilität von Materialien, z. B. bei der Festoxidbrennstoffzelle.

Während die bisherigen Methoden makroskopische Eigenschaften messen, können mit Methoden der Nuklearen Festkörperphysik lokale Strukturen auf atomarer Ebene untersucht werden, indem Atomkerne als Sonde verwendet werden. Damit kann z. B. die Größe des magnetischen Feldes am Ort des Kerns gemessen werden oder auch lokale Defekte im Kristallgitter. Eine andere wichtige Größe sind elektrische Feldgradienten, mit denen die lokale Struktur und deren Änderung bei Temperaturänderung oder Konzentrationsänderung bestimmter Komponenten im Material erforscht wird. Meßmethoden sind z. B. Mößbauer-Spektroskopie, Gestörte Gamma-Gamma-Winkelkorrelation, Kernspinresonanzspektroskopie oder Myonenspinspektroskopie.

LiteraturBearbeiten

  • Gerd Czycholl: Theoretische Festkörperphysik. Von den klassischen Modellen zu modernen Forschungsthemen. 3. Auflage. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-74790-1.
  • Joseph Callaway: Quantum Theory of Solid State. 1. Auflage. Academic Press, New York und London, ISBN 978-0-12-155201-5.

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Horst-Günter Rubahn, Frank Balzer: Laseranwendungen an harten und weichen Oberflächen. Springer-Verlag, 2005, ISBN 978-3-519-00490-5, S. 1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Andreas Battenberg (Red.): Supraleitung im Land der „schweren Elektronen“. Wechselspiel von elektronischem Magnetismus, Kernspins und Supraleitung. In: Nachrichten aus dem Physik-Department. Physik-Department · Technische Universität München, 1. Februar 2016, abgerufen am 19. September 2016.