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2025-06-07T04:41:36Z

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{{Dieser Artikel|beschreibt den Aggregatzustand. Siehe auch: [[Starrer Körper]] in der Mechanik bzw. [[Volumenfestkörper]] in der Beschichtungstechnik.}}

[[Datei:Sodium-chloride-3D-ionic.png|mini|Teilchenmodell eines kristallinen Festkörpers]]
[[Datei:Quasicrystal1.jpg|mini|[[Quasikristall|Quasiperiodischer Kristall]], wie sie der Nobelpreisträger für Chemie (2011) [[Dan Shechtman]] untersuchte.]]

'''Festkörper''' (auch '''Feststoff''') bezeichnet in den [[Naturwissenschaft]]en Materie im ''festen [[Aggregatzustand]]''.<ref name="ABC Chemie">''Brockhaus ABC Chemie.'' F. A. Brockhaus Verlag, Leipzig 1965, S. 405.</ref> Im engeren Sinne versteht man hierunter auch einen Stoff, der bei einer Temperatur von 20 °C einen festen Aggregatzustand aufweist, wobei die Bezeichnung ''Feststoff'' in diesem Fall stoffspezifisch, jedoch nicht temperaturspezifisch ist. Festkörper haben im [[Technik|technischen]] [[Sprachsystem|Sprachgebrauch]] eine gewisse ''Mindest-Ausdehnung'', die aber nicht scharf definiert ist. Sie sind demnach makroskopische Körper – im Gegensatz zu mikroskopischen Körpern. Zum Beispiel gilt im Regelfall ein [[Makromolekül]] für sich allein noch nicht als Festkörper. Materie im Übergangsbereich bezeichnet man als [[Cluster (Physik)|Cluster]].

''Reale Festkörper'' sind durch Kräfte [[verformbar]] ([[Elastizität (Physik)|elastisch]] oder [[Plastizität (Physik)|plastisch]]), im Gegensatz zu idealisierten [[Starrer Körper|''starren Körpern'']].
Alle Festkörper sind aus Bausteinen zusammengesetzt. Solche Elementarteile können einzelne [[Atom]]e oder [[Molekül]]e, aber auch Gruppen davon sein. Sind alle Bausteine gleichartig, so spricht man von ''Monostrukturen'', andernfalls von ''Heterostrukturen''. Die Eigenschaften der Festkörper unterscheiden sich aufgrund der gegenseitigen Wechselwirkung der Bausteine der Materie erheblich von den Eigenschaften freier Teilchen oder [[Lösung (Chemie)|Lösungen]]. Besonderes Kennzeichen von Festkörpern ist die Beständigkeit der Ordnung ([[amorph]] oder [[kristallin]]) ihrer Bausteine. Ein anderer Aufbau der gleichen Bausteine – die ''[[Polymorphie (Stoffeigenschaft)|Modifikation]]'' – beeinflusst die Eigenschaften des Festkörpers maßgeblich.

Die [[Festkörperphysik]] befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand, als Spezialfall der [[Kondensierte Materie|kondensierten Materie]], die [[Flüssigkeit]]en einschließt. Die [[Materialwissenschaft]] beschäftigt sich hauptsächlich mit den [[physik]]alischen und [[Chemie|chemischen]] Eigenschaften von Festkörpern. Die [[Festkörperchemie]] ist neben der [[Strukturaufklärung|chemischen Zusammensetzung]] bestehender insbesondere an der [[Synthese (Chemie)|Synthese]] neuer Materialien interessiert. Die Disziplinen sind sowohl untereinander als auch zur [[Mineralogie]], der [[Metallurgie]] und der [[Kristallographie]] nicht scharf abgegrenzt.

== Typen ==
Man unterscheidet zwischen [[amorph]]en (im kleinsten Maßstab „gestaltlosen“) und kristallinen (aus [[Kristall]]en bestehenden) Festkörpern. Die Festkörperphysik beschäftigt sich vorwiegend mit den [[Eigenschaft]]en einkristalliner und polykristalliner Festkörper.

=== Einkristalle ===
: Bei [[Einkristall]]en besteht der ganze Körper aus einem einzigen Kristall. Es gibt eine regelmäßige, genauer eine in allen Dimensionen periodische, Anordnung ihrer Bausteine. Die Art der zugrunde liegenden [[Kristallstruktur|Struktur]] ist verantwortlich für viele Eigenschaften eines Festkörpers. Beispielsweise besitzt [[Kohlenstoff]] zwei verschiedene Kristallstrukturen – [[Graphit]] und [[Diamant]] – die völlig verschiedene [[elektrische Leitfähigkeit]]en haben (Graphit leitet den Strom, Diamant ist ein [[Nichtleiter|Isolator]]). Einige Mineralien kommen als natürliche Einkristalle mit charakteristischer äußerer Form vor.

=== Quasikristalle ===
: Von Dan Shechtman entdeckt und 2011 mit dem [[Nobelpreis für Chemie]] ausgezeichnet, zählen [[Quasikristall]]e zu einem neuen Typ von Festkörpern. Quasikristalle sind aperiodisch, haben jedoch eine Nahordnung mit einer fünf-, acht-, zehn- oder zwölfzähligen [[Symmetrie (Geometrie)|Symmetrie]]. Beispiele für Systeme mit quasikristalliner Struktur sind Aluminium-Metal-Legierungen und Cd5,7Yb, Cd5,7Ca in ikosaedrischer Struktur und Ta1,6Te in einer dodekaedrischen Struktur. Weil diese [[Phasendiagramm|Phase]] nur in sehr engen Mischungsbereichen der Elemente stabil sind, können Quasikristalle in der Regel auch zu den [[Intermetallische Verbindung|intermetallischen Verbindungen]] gezählt werden.

=== Amorphe Festkörper ===
: Die Physik der amorphen Festkörper ist vielschichtig, weil hierunter alle Festkörper zusammengefasst werden, die keine regelmäßige Struktur besitzen. Die meisten [[Glas|Gläser]] oder manche ''erstarrte Flüssigkeiten'' sind nur einige Vertreter dieses Typus. Mit dem Verlust einer makroskopischen Ordnung gehen auch viele typische Eigenschaften eines Kristalls verloren. Beispielsweise sind die meisten amorphen Festkörper gute Isolatoren für [[Elektrische Leitfähigkeit|Elektrizität]] und [[Wärmeleitung|Wärme]] und häufig [[Sprödigkeit|spröde]]. Dennoch stellt dieser Festkörpertypus ein interessantes Forschungsgebiet dar, da ein Fehlen der Kristallstruktur auch ein Fehlen von [[Anisotropie]]-Effekten bedeutet. Amorphe Phasen sind meist in einem „eingefrorenen“ [[Metastabilität|metastabilen]] Zustand und verändern ihre Struktur und Eigenschaften mit höheren Temperaturen.

=== Polykristalline Festkörper ===
: Kristallin und amorph sind nicht die einzigen möglichen Erscheinungsformen von Festkörpern. Dazwischen gibt es einen Bereich, der gewissermaßen eine Mischform darstellt: Die [[polykristallin]]en Festkörper. Diese bestehen aus einer Ansammlung von kleinen Einkristallen, die ungeordnet zu einem großen Ganzen verbunden sind. In [[Metalle]]n aber auch in der [[Geologie]] werden die einzelnen [[Kristallit]]e häufig als Korn bezeichnet, die durch ungeordnete [[Korngrenze]]n voneinander getrennt sind. Zusammen bilden sie ein festes [[Gefüge (Werkstoffkunde)|Gefüge]], das beispielsweise beim [[Marmor]] am Funkeln verschiedener [[Korngröße|Körner]] erkennbar ist. Die [[Textur (Kristallographie)|Textur]] beschreibt die Orientierung der Gesamtheit der Körner im Festkörper und ist ein Maß für die [[Anisotropie]] von vielen chemischen und physikalischen Eigenschaften.
: Bei Polymeren werden die Anteile von kristalliner und amorpher Phase durch den [[Kristallisation (Polymer)|Kristallisationsgrad]] beschrieben.

== Bindungen ==
Der Zusammenhalt eines Festkörpers beruht auf einer attraktiven (anziehenden) Wechselwirkung zwischen den Atomen bzw. Molekülen auf großen Distanzen und einer repulsiven auf kurzen. Den energetisch günstigsten Abstand nennt man ''Gleichgewichtsabstand''. Ist die [[thermische Energie]] der Atome zu niedrig, um dieser [[Potential (Physik)|Potentialfalle]] zu entkommen, so bilden sich starre Anordnungen aus – die Atome sind aneinander [[Chemische Bindung|gebunden]]. Die so eingenommenen Gleichgewichtsabstände sind für den jeweiligen Stoff charakteristisch und liegen typisch im Bereich von etwa 0,1 nm bis 0,3 nm. In dieser Größenordnung ist die Einheit [[Ångström (Einheit)|Ångström]] sehr verbreitet (0,1 nm = 1 Å).

Es gibt im Wesentlichen vier Bindungsarten, welche den Aufbau und die Eigenschaften eines Festkörpers maßgeblich beeinflussen:

=== Ionenbindung ===
: Die [[Ionische Bindung|Ionenbindung]] tritt – zumindest anteilig – immer auf, wenn der Festkörper aus unterschiedlichen Elementen aufgebaut ist, welche eine unterschiedliche [[Elektronegativität]] besitzen. Dabei gibt das elektropositivere Element dem elektronegativeren ein Elektron ab, also wird das eine zum [[Anion]] und das andere zum [[Kation]]. Unterschiedliche Ladungen bewirken eine [[Elektrostatik|elektrostatische Anziehung]], während sich gleiche Ladungsträger abstoßen. Im Feststoff wechseln sich deshalb Anionen und Kationen ab bzw. bilden eine Hülle um einender. [[Salze]] sind typische Vertreter dieser Bindungsart.

=== Kovalente Bindung ===
: Die [[Kovalente Bindung]], auch Atombindung genannt, beruht auf dem Absenken der potentiellen Energie der [[Bändermodell|Elektronenzustände]]. Die [[Atomorbital|Orbitale]] der beiden Bindungspartner überlappen und verformen sich um eine Anordnung mit möglichst vielen Zuständen geringer Energie zuzulassen. Das Prinzip ist das gleiche wie bei der Bildung von Molekülen (z. B. [[Sauerstoff|O2]]). Elemente der vierten Hauptgruppe ([[Kohlenstoff]], [[Silicium]], [[Germanium]]) sind auf diese Art gebunden. Man bezeichnet den Zustand der Elektronen dann auch als sp3-[[Hybrid-Orbital|Hybridisierung]]. Moleküle bestehen aus Ketten von kovalenten Bindungen, die sich gegenseitig beeinflussen und lassen sich in unterschiedliche [[Konformation]]en oder allgemein [[Stereoisomerie]]n einteilen.

=== Metallbindung ===
: Die [[Metallische Bindung|Metallbindung]] ist ein Extremfall der kovalenten Bindung. Auch diese Bindung ist durch eine Absenkung der potentiellen Energie der Elektronenzustände bedingt. Nur ist hier die Überlappung der [[Atomorbital|Orbitale]] der Atome so groß, dass diese auch noch mit denen ihrer übernächsten (oder noch mehr) Nachbarn wechselwirken. Für einen [[Cluster (Physik)|Cluster]] ist eine Fernordnung, die durch ein Gitter beschrieben werden kann ([[Kristallstruktur]]), häufig die energetisch stabilste. Einige Elektronen sind [[Delokalisierung|delokalisiert]] und können nicht einem [[Atomkern]] zugeordnet werden. Delokalisierte Elektronen können Energie sehr schnell durch [[Plasmon (Physik)|Plasmonen]] weiter geben. Bildlich gesprochen sind die Ionenrümpfe der Atome in einen Elektronensee eingebettet. Wie der Name bereits andeutet, bilden [[Metalle]] diese Bindung aus.

=== Van-der-Waals-Bindung ===
: [[Van-der-Waals-Kräfte|Van-der-Waals-Wechselwirkungen]] treten grundsätzlich immer auf, sind allerdings so schwach, dass sie sich nur bei Abwesenheit anderer Bindungsarten so bemerkbar machen, dass von regelrechten Van-der-Waals-Bindungen gesprochen werden kann. Die anziehende Kraft dabei ist eine Komponente der gesamten elektrostatischen Wechselwirkungen, die mit dem reziproken Abstand in 7. Potenz abnimmt und durch lokal induzierte [[Elektrisches Dipolmoment|Dipolmomente]] in der [[Elektronendichte]] verursacht wird. [[Edelgase|Edelgas-]] und [[Molekülkristall]]e werden nur durch diese zusammengehalten. Van-der-Waals-Wechselwirkungen zählen zu den Dispersionswechselwirkungen, die im Bänder- oder Orbitalmodell aus störungstheoretischen Beiträgen 2. und höherer Ordnung der interelektronischen Repulsion verursacht werden.

Diese Bindungsarten sind keineswegs isolierte Fälle, die nur entweder-oder auftreten. Der Übergang von ionischer zu kovalenter zu metallischer Bindung ist fließend. Zudem können in Festkörpern verschiedene Bindungen nebeneinander auftreten. Graphit z. B. besteht aus Schichten kovalent gebundener Kohlenstoffatome, während die Schichten als Ganzes untereinander über Van-der-Waals-Bindungen zusammenhalten. Da letztere Bindung so schwach ist, nutzt man Graphit als [[Bleistift]]minen – beim Reiben über Papier reißen die Bindungen bereits auf. Kristallstrukturen mit verschiedenen Bindungsarten bezeichnet man als heterodesmisch, solche mit nur einer Bindungsart als homodesmisch. Ein einfaches mathematisches Modell für die potentielle Energie zweier neutraler Bindungspartner (Atome oder Moleküle) ist das [[Lennard-Jones-Potential]].

== Oberflächen ==
Mit der [[Oberflächenchemie#Oberflächensensitive Methoden|Oberfläche]] meint man die abschließenden 1–3 Atomlagen an der Grenze zum Vakuum. Das Fehlen von Bindungspartnern zu einer Seite zieht für Atome dieser Schichten üblicherweise eine [[Oberflächenrelaxation|Relaxation]], [[Oberflächenrekonstruktion|Rekonstruktion]] oder [[Rekombination (Physik)|Rekombination]] nach sich. Dabei versuchen die Atome durch Ändern ihrer [[Bindungslänge]] zu tiefer liegenden Schichten (Relaxation) oder durch Umordnung ihrer Positionen und Absättigen offener Bindungen (Rekombination) einen energetisch günstigeren Zustand einzunehmen. Das Resultat sind neue Oberflächenstrukturen, die eine andere Periodizität als das [[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrat]] (tiefer liegende Schichten) aufweisen können.

Eine weitere Besonderheit ist das Auftreten von [[Oberflächenzustand|Oberflächenzuständen]]. Das bedeutet, dass in den sonst energetisch verbotenen Bereichen – den [[Bändermodell|Bandlücken]] – erlaubte Energiezustände für [[Elektron]]en entstehen können. Bei [[Halbleiter]]n sorgen diese neuen Zustände für eine Verbiegung der Bänder und damit einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit. Es können so Leitungskanäle entstehen, was zum Beispiel für [[Feldeffekttransistor]]en genutzt wird.

== Eigenschaften von Festkörpern ==
{{Hauptartikel|Stoffeigenschaft|Werkstoffkenngröße}}

=== Elektrische Leitfähigkeit ===
Je nach ihrer [[Elektrische Leitfähigkeit|elektrischen Leitfähigkeit]] lassen sich Festkörper in Leiter, Halbleiter und Nichtleiter einteilen. Diese Einteilung wurde historisch so festgelegt. Eine Erklärung für die Unterschiede der Leitfähigkeit konnte jedoch erst das [[Bändermodell]] liefern. Heutzutage wird daher die Gruppenzuordnung durch die Größe der [[Bandlücke]] festgelegt. Die elektrische Leitfähigkeit gehört zu den variabelsten Größen in der Physik, die möglichen Werte erstrecken sich über mehr als 30 Größenordnungen. Dabei zeigen die meisten nichtmagnetischen Festkörper bei sehr tiefen Temperaturen einen weiteren erstaunlichen Effekt: Unterhalb einer kritischen Temperatur verschwindet der elektrische Widerstand völlig, diesen Zustand nennt man [[Supraleiter|supraleitende]] Phase.

; Leiter:Fast alle Metalle zählen zu den elektrisch guten Leitern und habe keine Bandlücke. Die [[Leitungselektron]]en verhalten sich so, als ob sie sich frei im Festkörper bewegen können. Bei steigender Temperatur nimmt die Leitfähigkeit jedoch ab, was mit vermehrten Stößen der Elektronen mit den Gitterschwingungen begründet werden kann.

; Halbleiter:Auffälligstes Merkmal der Leitfähigkeit von Halbleitern ist ihre starke Abhängigkeit von inneren ([[Stoffreinheit|Reinheitsgrad]]) wie auch äußeren Parametern ([[Temperatur]]). Bei reinen (intrinsischen) Halbleitern nimmt die Leitfähigkeit bei steigender Temperatur sehr stark zu – oft um eine [[Größenordnung]] bei etwa 20 K Unterschied. Neben Elektronen tragen hier auch sogenannte [[Defektelektron]]en, auch Löcher genannt, zur Leitfähigkeit bei. Die [[Ladungsträgerdichte]]n von Löchern und Elektronen sind in intrinsischen Halbleitern gleich groß, das Verhältnis kann jedoch durch gezieltes Verunreinigen ([[Dotierung|Dotieren]]) einseitig verändert werden. Die Bandlücke liegt in der Größenordnung 0,1 bis ≈ 4 [[Elektronvolt|eV]].<ref>{{Literatur |Autor=[[Egon Wiberg]], [[Nils Wiberg]] |Titel=Lehrbuch der anorganischen Chemie |Auflage=101., verb. und stark erw. Auflage |Ort=Berlin |Datum=1995 |ISBN=3-11-012641-9}}</ref>

; Nichtleiter:[[Isolator (Elektrotechnik)|Isolatoren]] leiten unter normalen Bedingungen praktisch keinen elektrischen Strom. Auch eine hohe äußere Spannung induziert nur sehr geringe Ströme an Ladungsträgern im Nichtleiter. Charakteristisch ist eine Bandlücke größer als 4 eV, eine hohe [[Durchschlagspannung|Durchschlagsspannung]] und Schmelzpunkte.

=== Deformierbarkeit ===
Anders als bei [[Flüssigkeit]]en und [[Gas]]en sind die Teilchen im festen Aggregatzustand nur minimal gegenseitig verschiebbar – entsprechend ihrer kristallartigen [[Kristallstruktur|Feinstruktur]]. Im kleinsten sind solche [[Verformung|Deformationen]] nur schwer modellierbar, doch über Millionen oder Trillionen von Teilchen folgen sie klaren [[Physikalisches Gesetz|Gesetzen]]. Sie hängen mit der [[Elastizität (Mechanik)|Elastizität]] und ihren [[Elastizitätsmodul|Modulen]] zusammen, sowie mit der Form und Dimension der zu deformierenden Körper.

Ein idealisierter Festkörper, der in der [[Klassische Mechanik|klassischen Mechanik]] als Modell eines Festkörpers verwendet wird, ist der [[Starrer Körper|starre Körper]]. Er unterliegt keinerlei Verformungen, kommt aber in der [[Natur]] nicht vor. In den meisten Fällen ist er ein gutes Modell für die realen Objekte in unserer Umwelt.
Der reale Festkörper hingegen hat in der Regel keine einfache, sondern eine [[richtung]]sabhängige Verformbarkeit. Dies behandelt zum Beispiel die Festkörperphysik.

=== Reaktivität ===
Im Vergleich zu Reaktionen in Lösung zeichnen sich Festkörperreaktionen normalerweise durch sehr hohe [[Aktivierungsenergie|Aktivierungsbarrieren]] aus. Der Grund ist der [[Reaktionsmechanismus]], nach dem Festkörperreaktionen ablaufen: Die Leerstellen im Kristallgitter wandern wie in einem „Schiebepuzzle“. Dafür muss die Kristallstruktur deformiert werden, was einen großen Energieaufwand verursacht.

=== Andere Eigenschaften ===
Weitere typische Attribute von Festkörpern sind ihre [[Leitfähigkeit]] für [[Wärme]] oder elektrischen [[Elektrischer Strom|Strom]]. Diese beiden Eigenschaften sind meist eng gekoppelt.

== Festkörper bei hohen Drücken ==
Unter der Einwirkung von hohen Drücken<ref>{{Literatur |Autor=Klaus-Jürgen Range |Titel=Festkörperchemie bei hohen Drücken |Band=10 |Nummer=6 |Datum=1976 |Seiten=180–188 |DOI=10.1002/ciuz.19760100604}}</ref> gehen Festkörper von der Normalphase mit Eigenschaftsänderungen in eine Hochdruckphase über, oder es entstehen andere Modifikationen des Stoffes. Beispiele hierfür sind die Umwandlung von [[Graphit]] in [[Diamant]] bei einem Druck über 60 [[Bar (Einheit)|kbar]] oder die Umwandlung von α-[[Bornitrid]] in β-Bornitrid (Borazon). [[Silicium]] weist bei einem Druck von über 150 kbar einen drastischen Widerstandsabfall auf und geht dabei in eine metallische Hochdruckmodifikation mit einem β-Zinn-Strukturtyp über. Das [[Natriumchlorid-Struktur|Natriumchloridgitter]] von Kalium[[halogenide]]n wandelt sich bei einem Druck über 20 kbar in das [[Cäsiumchlorid]]gitter um. Im Allgemeinen gehen bei einer Druckausübung die Teilchen des Festkörpers in eine dichtere Packung, verbunden mit einer Erhöhung der [[Koordinationszahl]], über. [[Kovalente Bindung]]en werden dabei oftmals zu [[Metallische Bindung|metallischen Bindungen]] mit delokalisierten Elektronen.
Hochdruckverfahren eignen sich zur Herstellung bzw. [[Kristallzucht|Kristallzüchtung]] von Verbindungen, die dann auch unter Normaldruck [[Metastabilität|metastabil]] sind, beispielsweise um künstliche Diamanten zu produzieren.

== Siehe auch ==
{{Portal|Werkstoffe}}
* [[Kondensierte Materie]]
* [[Kristallographie]]
* [[Mechanik fester Körper]]

== Literatur ==
* Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: ''Lehrbuch der Experimentalphysik.'' Band 6: ''Festkörper.'' 2., überarbeitete Auflage. Walter de Gruyter Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-11-017485-5.
* Markus Schwoerer, Hans Christoph Wolf: ''Organische Molekulare Festkörper. Einführung in die Physik von pi-Systemen.'' Viley-VCH Verlag, Weinheim 2005, ISBN 3-527-40539-9.

== Weblinks ==
* {{DNB-Portal|4016918-2}}
* [https://www.uni-due.de/~hm236ap/vorlesungen/festkoerper_ws11/FKP-PDFsOkt09.pdf Festkörperphysik] (abgerufen am 6. Januar 2020)
* [https://lampx.tugraz.at/~hadley/ss1/skriptum/skriptum_2013.pdf Molekül- und Festkörperphysik] (abgerufen am 6. Januar 2020)
* [https://physik.uni-graz.at/~pep/Lehre/AMFP/lecture09.pdf Atom-, Molekül- und Festkörperphysik] (abgerufen am 6. Januar 2020)
* [https://www.pro-physik.de/restricted-files/100256 Korrelierte Elektronen im Festkörper] (abgerufen am 6. Januar 2020)
* [https://www1.itp.tu-berlin.de/brandes/fk2010.pdf Theoretische Festkörperphysik] (abgerufen am 6. Januar 2020)
* [https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/index.html Hyperskript] zur Einführung in die Materialwissenschaft der Christian Albrecht Universität zu Kiel (abgerufen am 21. September 2020)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Aggregatzustände}}
{{Normdaten|TYP=s|GND=4016918-2|LCCN=sh85124647|NDL=00566774}}

{{SORTIERUNG:Festkorper}}
[[Kategorie:Festkörperphysik|!]]
[[Kategorie:Physikalische Chemie]]
[[Kategorie:Werkstoffeigenschaft]]

Festkörper - Versionsgeschichte

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