Einführung in die Festkörperchemie

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1 Lesley Smart Elaine Moore Einführung in die Festkörperchemie Aus dem Englischen übersetzt von Arno Martin Mit einem Geleitwort von Wolfgang Schnick 3 vieweg

2 Inhaltsverzeichnis Geleitwort zur deutschen Auflage Vorwort zur zweiten Auflage Vorwort zur ersten Auflage Die sieben SI-Basisgrößen Abgeleitete SI-Einheiten mit speziellen Namen und Symbolen Sl-Präfixe Fundamentalkonstanten Verwendete Symbole Periodisches System der Elemente Griechisches Alphabet V VI VII IX X XI XII XIII XIV XVI 1 Einfache Kristallstrukturen Einführung Dichteste Kugelpackungen Raumzentrierte und primitive Strukturen Symmetrie Rotationsachsen Symmetrieebenen Inversion Inversionsdrehung und Drehspiegelung Die Symmetrie von Kristallen Gitter und Elementarzellen Gitter Zweidimensionale Gitter Ein- und zweidimensionale Elementarzellen Symmetrieelemente mit Translation Dreidimensionale Elementarzellen Miller-Indizes Abstand zwischen Ebenen in Kristallen Packungsdiagramme Kristalline Festkörper Ionische Festkörper der Zusammensetzung MX Festkörper der Zusammensetzung MX Andere wichtige Kristallstrukturen Ionenradien Kovalente Kristalle Molekülkristalle Silicate 56

3 XVIII Inhaltsverzeichnis 1.7 Gitterenergie Der Born-Haber-Kreisprozeß Berechnung der Gitterenergie Berechnungen mit Hilfe von thermochemischen Kreisprozessen und von Gitterenergien Zusammenfassung 68 Weiterführende Literatur 69 Fragen 69 2 Röntgen-Streuung Einleitung Erzeugung von Röntgenstrahlung Die Beugung von Röntgen-Strahlen Röntgen-Streuung an Pulvern Die Aufzeichnung von Pulverdiffraktogrammen Systematische Auslöschung durch Gitterzentrierung Systematische Auslöschung durch Schraubenachsen und Gleitebenen Die Zahl der Formeleinheiten Z in der Elementarzelle Die Identifizierung von Verbindungen durch Pulverdiffraktogramme Die Bedeutung der Linienintensitäten Röntgenstreuung an Einkristallen Strukturaufklärung mit Einkristallen Die Patterson-Funktion und ihre Auswertung Direkte Methoden Differenz-Darstellung Strukturverfeinerung Temperaturfaktoren Der R-Wert Röntgen-Kristallstrukturen in der Literatur Neutronenbeugung Anwendung der Neutronenbeugung Nachteile der Neutronenbeugung 104 Weiterführende Literatur 105 Fragen Präparative Methoden Einleitung Keramische Methoden Samariumsulfid Nachteile 109

4 Inhaltsverzeichnis XIX 3.3 Synthesen mit Hilfe von Mikrowellen Der Supraleiter YBa 2 Cu ^ Die Sol-Gel-Methode Lithiumniobat Li 3 Nb Dotiertes Zinndioxid Sn Kieselglas für optische Fasern Herstellung eines Biosensors Die Precursor-Methode Bariumtitanat BaTi Hydrothermalverfahren Quarz Chromdioxid Cr Zeolithe Yttrium-Aluminium-Granat Y 3 A Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) Gasphasenepitaxie (VPE) Molekularstrahlepitaxie (MBE) Chemische Transportreaktionen Magnetit Methodenauswahl 121 Weiterfuhrende Literatur 122 Fragen Bindungen in Festkörpern und elektronische Eigenschaften Einleitung Bindungen in Festkörpern - das Bändermodell Elektrische Leitfähigkeit - einfache Metalle Theorie des freien Elektrons Elektronische Leitfähigkeit Eigenhalbleiter Silicium und Germanium Fotoleiter Dotierte Halbleiter Derp-rc-Kontakt-fotovoltaische Zellen Bänder in Verbindungen - Galliumarsenid Halbleiter-Flüssigkeits-Zellen Bänder in Verbindungen von ^/-Elementen - die Monoxide von Übergangsmetallen Titandioxid und Titandisulfid 141 Weiterführende Literatur 143 Fragen 143

5 XX Inhaltsverzeichnis 5 Defekte und Nichtstöchiometrie Einleitung Defekte und ihre Konzentration Eigenfehler Die Defektkonzentration Fremdfehler Ionenleitung in Festkörpern Festelektrolyte Schnelle Ionenleiter a-silberiodid RbAg F Stabilisiertes Zirconiumdioxid ß-Aluminiumoxid Der fotographische Prozeß Farbzentren Nichtstöchiometrische Verbindungen Einleitung Nichtstöchiometrie im Wüstit Elektronische Defekte im Wüstit Die Struktur von FeO Urandioxid Die Struktur von Titanmonoxid Flächendefekte Kristallographische Scherebenen Ebene Verwachsungen Dreidimensionale Defekte Blockstrukturen Pentagonale Säulen Unendliche angepaßte Strukturen Elektronische Eigenschaften nichtstöchiometrischer Oxide Schlußbemerkungen 193 Weiterführende Literatur 193 Fragen Ein- und zweidimensionale Festkörper Einleitung Eindimensionale Festkörper Polyacetylen und verwandte Verbindungen Kettenförmige Platinverbindungen Andere eindimensionale Festkörper und molekulare Metalle 206

6 Inhaltsverzeichnis XXI 6.3 Zweidimensionale Festkörper Graphit Intercalationsverbindungen des Graphits Titandisulfid und die Li-TiS 2 -Batterie 211 Weiterführende Literatur 214 Fragen Zeolithe und verwandte Strukturen Einleitung Zusammensetzung und Struktur Netzwerke Das Si:Al-Verhältnis Austauschbare Kationen Hohlräume und Kanäle Herstellung von Zeolithen Strukturaufklärung Verwendung von Zeolithen Trockenmittel Ionenaustauscher Adsorbentien Katalysatoren Neue Materialien Andere Netzwerkstrukturen Tonmineralien Nachbemerkung 243 Weiterführende Literatur 244 Fragen Optische Eigenschaften von Festkörpern Einleitung Die Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen Der Rubinlaser Phosphore für Leuchtstofflampen Strahlungsabsorption und -emission durch Halbleiter Lichtemittierende Dioden Der Galliumarsenidlaser Der Quanten-Kaskade-Laser Optische Fasern Optische Schalter 261 Weiterführende Literatur 262 Fragen 262

7 XXII Inhaltsverzeichnis 9 Magnetische und dielektrische Eigenschaften Einleitung Die magnetische Suszeptibilität Der Paramagnetismus von Metallkomplexen Ferromagnetische Metalle Ferromagnetische Domänen Permanentmagnete Ferromagnetische Verbindungen - Chromdioxid Tonbandgeräte Antiferromagnetismus - Ubergangsmetallmonoxide Ferrimagnetismus und Ferrite Computerspeicher Elektrische Polarisation Piezoelektrische Kristalle - a-quarz Der ferroelektrische Effekt Keramische Vielschichtkondensatoren 288 Weiterführende Literatur 290 Fragen Supraleitfähigkeit Einleitung Die Entdeckung der Supraleiter Die magnetischen Eigenschaften von Supraleitern Die Theorie der Supraleitung Josephson-Effekte Die Suche nach Hochtemperatursupraleitern Die Kristallstruktur der Hochtemperatursupraleiter Anwendung von Hochtemperatursupraleitern 303 Weiterführende Literatur 305 Fragen 306 Antworten 307 Sachwortverzeichnis 335