Festkörperphysik
Die Festkörperphysik (auch abgekürzt: FKP; Vorlage:EnS) befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand. Sie gehört thematisch zur Physik der kondensierten Materie (Vorlage:EnS) und umgekehrt.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref> 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. Das Studium der nicht-kondensierten Materie ist das Fachgebiet der Weichen Materie.
Erscheinungsformen von Festkörpern
[Bearbeiten]Kristalline Festkörper
[Bearbeiten]Die Physik kristalliner Festkörper (Kristallphysik) befasst sich mit Festkörpern, die einen periodischen Aufbau aufweisen.
- Die Kristallstruktur repräsentiert die statische periodische Ordnung im kristallinen Festkörper.
- Die Gitterschwingungen beschreiben die Dynamik in der kristallinen Ordnung. Ihre Beschreibung verwendet häufig das Modell der Quasiteilchen. Bei Gitteranregungen werden diese Phononen genannt.
- Die auf die Elektronenhülle der regelmäßig angeordneten Atome zurückgehenden Eigenschaften führen zu Bändermodell und Bandstruktur, deren Parameter diverse makroskopische Eigenschaften (Optik usw.) berechenbar machen.
- Die magnetische Ordnung repräsentiert die statische Ordnung der magnetischen Momente im Festkörper (Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus, Spindichtewellen, Magnetooptik etc.).
- Die magnetischen Anregungen beschreiben die Dynamik der magnetischen Ordnung. Die zugehörigen Quasiteilchen heißen Magnonen.
Teilkristalline Substanz
[Bearbeiten]Eine teilkristalline Substanz, die zwar eine gewisse Nahordnung im Bereich von 4,5–6 Å<ref>Vorlage:Literatur</ref> aufweist, im Gegensatz zu einem Kristall aber keine ausgeprägte Fernordnung, ist ein Parakristall.
Amorphe Festkörper
[Bearbeiten]Die Physik amorpher Festkörper befasst sich mit Festkörpern, die keine Fernordnung aufweisen.
Grenzflächenphysik
[Bearbeiten]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.<ref name="books-Ymc646T32csC-1">Horst-Günter Rubahn, Frank Balzer: Laseranwendungen an harten und weichen Oberflächen. Springer-Verlag, 2005, ISBN 978-3-519-00490-5, S. 1 (Vorlage:Google Buch).</ref>
Ordnungszustände in Festkörpern
[Bearbeiten]Vorlage:Hauptartikel 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.
| 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 |
Neben diesen eher klassischen Formen der Ordnung kann in niedrig-dimensionalen Systemen eine „quasi-Fernordnung“ (quasi long range order) auftreten. Diese spielt zum Beispiel bei Kosterlitz-Thouless-Übergängen eine Rolle. In Festkörpern mit zwei oder weniger Dimensionen kann es gemäß Mermin-Wagner-Theorem keine echte Fernordnung geben. Im XY-Modell für Spins manifestiert sich diese "quasi-Fernordnung" durch die Bildung von eng gebundenen Paaren aus Löchern und „Anti-Löchern“. Das Geschlecht dieser Paare ist in Summe null. Diese Paare haben kaum Einfluss auf die (gemäß Mermin-Wagner-Theorem gebrochene) Fernordnung im Kristall.
Forschung & Entwicklung
[Bearbeiten]Forschungsverbände, Institute usw.
[Bearbeiten]Hinweis: Die Liste erhebt keinen Anspruch an Vollständigkeit. Viele weitere Institute an Universitäten sowie angrenzende Wissenschaften existieren.
- Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF)
- Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden
- Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik
- Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
- Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik
- Sektion Kondensierte Materie (SKM) der DPG
- Walter-Schottky-Institut der TUM
- Walther-Meißner-Institut für Tieftemperaturforschung
Preise und Auszeichnungen
[Bearbeiten]Es werden weltweit verschiedene Preise in der FKP verliehen, z. B.:
- Walter-Schottky-Preis, verliehen von der DPG
- Oliver E. Buckley Condensed Matter Prize, verliehen von der APS
Der Festkörperphysik können insgesamt eine Vielzahl an Nobelpreisen zugeordnet werden.<ref>Vorlage:Literatur</ref>
Moderne Forschungsthemen
[Bearbeiten]- Graphen
- „Heavy-Fermion“-Systeme<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>
- Hochtemperatursupraleiter
- Quasikristalle
- Silicen
- Skyrmionen<ref>Vorlage:Literatur</ref>
- Spin-Glas
Untersuchungsmethoden in der Festkörperphysik
[Bearbeiten]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. Das ist in vielen modernen Anwendungen wie Elektronik, Computerchips, Halbleitertechnik, Solarzellen, Batterien, Beleuchtung, Metallen oder Isolatoren von Bedeutung. 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 bereitgestellt werden. Aufgrund der anderen Welleneigenschaften des massereichen Neutrons gegenüber der Röntgenstrahlung sind die Diffraktometer sehr groß, meist mehrere Meter. Neben den 230 Raumgruppen lassen sich insbesondere magnetische Ordnungen in Kristallen untersuchen. Unter Hinzuziehung des Spins erweitern 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 zu ermitteln.
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.
Literatur
[Bearbeiten]Grundlagen
[Bearbeiten]Weiterführend
[Bearbeiten]- Vorlage:Literatur
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- Bernhard Schiekel: Festkörperphysik und Topologie – eine Einführung, 839 S., Ulm, 2023, Vorlage:DOI.
Klassiker
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- Deutsche Ausgabe: Vorlage:Literatur
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- Die Serie Solid State Physics in mehreren Bänden (Hrsg.: Ehrenreich, Seitz, Turnbull) ab ca. 1960
Einzelnachweise
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