Festkörperphysik. Einführung in die Grundlagen. Fünfte, erweiterte und aktualisierte Auflage mit 263 Abbildungen, 17 Tafeln und 100 Übungen

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1 Harald Ibach Hans Lüth Festkörperphysik Einführung in die Grundlagen Fünfte, erweiterte und aktualisierte Auflage mit 263 Abbildungen, 17 Tafeln und 100 Übungen 13

2 Professor Dr. Harald Ibach Institut für Grenzflächenforschung und Vakuumphysik, Forschungszentrum Jülich GmbH, D Jülich und Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, D Aachen Professor Dr. Hans Lüth Institut für Schicht- und Ionentechnik, Forschungszentrum Jülich GmbH, D Jülich und Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, D Aachen ISBN Auflage Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York ISBN Auflage Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Die Deutsche Bibliothek CIP-Einheitsaufnahme Ibach, Harald: Festkörperphysik: Einführung in die Grundlagen/ Harald Ibach; Hans Lüth. 5., erw. und aktualisierte Aufl. Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio; Springer, 1999 (Springer-Lehrbuch) ISBN Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1981, 1988, 1990, 1995, 1999 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Satz:K+VFotosatz,Beerfelden Einbandgestaltung: design & production GmbH, Heidelberg Druck und Einband: Druckerei Stürtz, Würzburg SPIN: /3144/ba Gedruckt auf säurefreiem Papier

3 Inhaltsverzeichnis 1. Die chemische Bindung in FestkoÈrpern Das Periodensystem Kovalente Bindung Die Ionenbindung Metallische Bindung Die WasserstoffbruÈckenbindung Die Van der Waals-Bindung Ûbungen Die Struktur von FestkoÈrpern Translationsgitter Punktsymmetrien Die 32 Kristallklassen (Punktgruppen) Die Bedeutung der Symmetrie Einfache Kristallstrukturen Phasendiagramme von Legierungen Defekte in FestkoÈrpern Ûbungen Die Beugung an periodischen Strukturen Die allgemeine Beugungstheorie Periodische Strukturen und reziprokes Gitter Die Streubedingung bei periodischen Strukturen Die Braggsche Deutung der Beugungsbedingung Die Brillouinschen Zonen Der Strukturfaktor Methoden der Strukturanalyse Ûbungen Tafel I: Beugungsexperimente mit verschiedenen Teilchen Tafel II: RoÈntgeninterferometer und RoÈntgentopographie Dynamik von Atomen in Kristallen Das Potential Die Bewegungsgleichungen Die lineare zweiatomige Kette Streuung an zeitlich veraènderlichen Strukturen ± Phononenspektroskopie Elastisches Verhalten von Kristallen Ûbungen Tafel III: Raman-Spektroskopie...107

4 XII Inhaltsverzeichnis 5. Thermische Eigenschaften Die Zustandsdichte Thermische Energie eines harmonischen Oszillators Spezifische WaÈrme Anharmonische Effekte Thermische Ausdehnung WaÈrmeleitung durch Phononen Ûbungen Tafel IV: Experimente bei tiefen Temperaturen ¹Freieª Elektronen im FestkoÈrper Das freie Elektronengas im Potentialkasten Das Fermi-Gas bei T=0 K Fermi-Statistik Spezifische WaÈrme der Metallelektronen Elektrostatische Abschirmung in einem Fermi-Gas ± Mott-Ûbergang GluÈhemission aus Metallen Ûbungen Elektronische BaÈnder in FestkoÈrpern Allgemeine Symmetrieeigenschaften NaÈherung des quasifreien Elektrons NaÈherung vom ¹stark gebundenenª Elektron her Beispiele von Bandstrukturen Zustandsdichten Zustandsdichte nichtkristalliner FestkoÈrper Ûbungen Tafel V: Photoemissionsspektroskopie Magnetismus Dia- und Paramagnetismus Austauschwechselwirkung Austauschwechselwirkung zwischen freien Elektronen Das Bandmodell fuèr den Ferromagnetismus Das Temperaturverhalten eines Ferromagneten im Bandmodell Ferromagnetische Kopplung bei lokalisierten Elektronen Antiferromagnetismus Spinwellen Ûbungen Tafel VI: Magnetostatische Spinwellen Tafel VII: OberflaÈchenmagnetismus Bewegung von LadungstraÈgern und TransportphaÈnomene Bewegung von LadungstraÈgern in BaÈndern ± die effektive Masse StroÈme in BaÈndern und Defektelektronen

5 Inhaltsverzeichnis XIII 9.3 Streuung von Elektronen in BaÈndern Boltzmann-Gleichung und Relaxationszeit Die elektrische LeitfaÈhigkeit von Metallen Thermoelektrische Effekte Das Wiedemann-Franz-Gesetz Elektrische LeitfaÈhigkeit durch lokalisierte Elektronen Ûbungen Tafel VIII: Quantenoszillationen und die Topologie von Fermi-FlaÈchen Supraleitung Einige GrundphaÈnomene der Supraleitung PhaÈnomenologische Beschreibung durch London-Gleichungen InstabilitaÈt des ¹Fermi-Seesª und Cooper-Paare Der BCS-Grundzustand Das Anregungsspektrum des Supraleiters Konsequenzen der BCS-Theorie und Vergleich mit experimentellen Befunden Suprastrom und kritischer Strom KohaÈrenz des BCS-Grundzustandes und Meissner-Ochsenfeld-Effekt Quantisierung des magnetischen Flusses Supraleiter 2. Art Neuartige ¹Hochtemperaturª-Supraleiter Ûbungen Tafel IX: Einelektronen-Tunneln an Supraleitern Tafel X: Cooper-Paar-Tunneln ± Josephson-Effekte Dielektrische Eigenschaften der Materie Die dielektrische Funktion Absorption elektromagnetischer Strahlung Die dielektrische Funktion fuèr harmonische Oszillatoren Longitudinale und transversale Eigenschwingungen OberflaÈchenwellen eines Dielektrikums Das ReflexionsvermoÈgen des dielektrischen Halbraums Das lokale Feld Polarisationskatastrophe und Ferroelektrika Das freie Elektronengas Interband-ÛbergaÈnge Exzitonen Dielektrische Energieverluste von Elektronen Ûbungen Tafel XI: Spektroskopie mit Photonen und Elektronen Tafel XII: Infrarot-Spektroskopie Tafel XIII: Die Methode der frustrierten Totalreflexion Halbleiter Daten einiger wichtiger Halbleiter

6 XIV Inhaltsverzeichnis 12.2 LadungstraÈgerdichte im intrinsischen Halbleiter Dotierung von Halbleitern LadungstraÈgerdichte in dotierten Halbleitern LeitfaÈhigkeit von Halbleitern Der p-n-ûbergang und der Metall/Halbleiter-Schottky-Kontakt Halbleiterheterostrukturen und Ûbergitter Wichtige Halbleiterbauelemente Ûbungen Tafel XIV: Hall-Effekt Tafel XV: Zyklotron-Resonanz bei Halbleitern Tafel XVI: Shubnikov-de Haas-Oszillationen und Quanten-Hall-Effekt Tafel XVII: Halbleiterepitaxie Literaturverzeichnis Sachverzeichnis Periodensystem der Elemente (Vordere EinbandruÈckseite) Konstanten und Øquivalentwerte (Hintere EinbandruÈckseite)

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