Festkorperspektroskopie

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1 Hans Kuzmany Festkorperspektroskopie Eine Einführung Mit 222 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong

2 1. Einleitung 1 2. Grundlagen der Festkörperphysik Kristalline Festkörper Quantenmechanik freier Elektronen Elektronen im periodischen Potential Halbleiter Elektronen und Löcher Der pn-übergang Tight-Binding und LCAO-Wellenfunktionen Der metallische Zustand Freie-Elektronen-Metalle Fermi-Oberfiächen Phononen 24 Übungsaufgaben Elektromagnetische Strahlung 31 Übungsaufgabe Strahlenquellen in sichtbaren und unmittelbar angrenzenden Spektralbereichen Klassische Lichtquellen Form und Breite von Spektrallinien Laser als Strahlungsquellen Erzeugung und Eigenschaften von Laserstrahlung Gepulste Laser Durchstimmbare Laser 52 Übungsaufgaben Lichtdetektoren Photographische Filme Photomultiplier Photoelektrische Detektoren Grundlagen der photoelektrischen Detektoren Photoleitungsdetektoren Photodioden 65 Übungsaufgaben 66

3 Spektrale Zerlegung des Lichtes Optische Filter Monochromatoren und Spektrometer Kenngrößen von Monochromatoren Prismenmonochromator Gittermonochromator Interferometer Vielstrahlinterferenz an einer planparallelen Platte Das Fabry-Perot-Interferometer 78 Übungsaufgaben 81 Die dielektrische Funktion Optische Konstanten und die Kramers-Kronig-Relation Die Kramers-Heisenberg dielektrische Funktion Die dielektrische Funktion von Festkörpern mit freien Ladungsträgern Dielektrische Funktion des freien Elektronengases Einfluß des Wellenvektors und dielektrische Funktionen komplexer Systeme Experimentelle Bestimmung der dielektrischen Funktion (Ellipsometrie) 96 Übungsaufgaben 100 Spektroskopie in sichtbaren und unmittelbar angrenzenden Spektralbereichen Optische Absorption Elektronische Übergangswahrscheinlichkeit Band-Band Absorption Absorption aus Störstellen Lumineszenz Lumineszenz in Halbleitern Lumineszenz aus Punktdefekten in Isolatoren 121 Übungsaufgaben 124 Symmetrieeigenschaften und Auswahlregeln in Kristallen Symmetrie von Molekülen und Kristallen Darstellung von Gruppen Klassifizierung von Schwingungen Unendlich ausgedehnte periodische Punktanordnungen und Raumgruppen Quantenmechanische Auswahlregeln 135 Übungsaufgaben 138 Lichtstreuung Experimenteller Aufbau von Streulichtexperimenten Raman-Spektroskopie Grundlagen der Raman-Streuung 141

4 IX Klassische Berechnung der Streuintensität und Raman-Tensor Longitudinale und transversale optische Moden und Polaritonen Quantenmechanische Theorie der Raman-Streuung Temperaturabhängigkeit der Raman-Streuung Raman-Streuung an ungeordneten Systemen Resonanz-Raman-Streuung und elektronische Raman- Streuung Brillouin-Streuung und Rayleigh-Streuung Grundlagen der Brillouin-Streuung Experimentelle Ergebnisse der Brillouin-Streuung Übungsaufgaben Infrarotspektroskopie Strahlenquellen, optische Komponenten und Detektoren im Infrarot Dispersive Infrarotspektroskopie Fourier-Spektroskopie Beispiele aus der Festkörperphysik Untersuchungen an Molekülen und an vielkristallinen Materialien Infrarotabsorption und Reflexion an Kristallen Abgeschwächte Totalreflexion Untersuchungen an Halbleitern Eigenschaften von Metallen im IR 191 Übungsaufgaben Spinresonanzspektroskopie Magnetische Momente von Atomen und Kernen in Kristallen Kinematische Beschreibung der Spinresonanz Resonanzabsorption Induktion in eine Sensorspule Lösungen der Bloch-Gleichungen für die Resonanzabsorption Elektronenspinresonanz Kernspinresonanz Kernquadrupolresonanz Doppelresonanzexperimente: Dynamische Kernpolarisation (DNP) und Elektron-Kernspin Doppelresonanz (ENDOR) Dynamische Kernpolarisation Elektron-Kernspin Doppelresonanz (ENDOR) Übungsaufgaben Ultraviolett- und Röntgenspektroskopie Röntgen-Strahlung Synchrotronstrahlung Spektrometer und Detektoren 230

5 X Inhaltsverzeichnis 13.4 Photoelektronenspektroskopie (XPS, UPS, ESCA, AUGER) Feinstruktur-Röntgen-Strahlabsorption (EXAFS) 240 Übungsaufgabe Spektroskopie mit 7-Strahlen Mössbauer-Spektroskopie Grundlagen der Mössbauer-Spektroskopie Strahlenquellen und Detektoren Ergebnisse der Mössbauer-Spektroskopie Gestörte Winkelkorrelation Grundlagen der gestörten Winkelkorrelation Ergebnisse von Untersuchungen mit gestörter Winkelkorrelation 255 Übungsaufgabe Spektroskopie mit geladenen Teilchen Elektronen-Energieverlustspektroskopie Elektronen-Energieverlust in Festkörpern Elektronen-Energieverlustspektrometer Experimentelle Ergebnisse Spektroskopie mit Positronenvernichtung Positronen im Festkörper Positronenquellen und Spektrometer Experimentelle Ergebnisse der Spektroskopie mit Positronenvernichtung /z-meson Spektroskopie /^-Mesonen und /z-meson-spin-rotation Einfluß interner Felder Experimentelle Ergebnisse Tunnelspektroskopie Der Tunneleffekt im Festkörper Die Tunneldiode Spektroskopie der Zustandsdichte im supraleitenden Zustand 289 Übungsaufgaben Neutronenstreuung Elastische Neutronenstreuung Inelastische Neutronenstreuung 295 Anhang 299 Literatur 321 Sachverzeichnis 331