Harald Ibach Hans Lüth Festkörperphysik Einführung in die Grundlagen Fünfte, erweiterte und aktualisierte Auflage mit 263 Abbildungen, 17 Tafeln und 100 Übungen 13
Professor Dr. Harald Ibach Institut für Grenzflächenforschung und Vakuumphysik, Forschungszentrum Jülich GmbH, D-52425 Jülich und Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, D-52062 Aachen e-mail: h.ibach@fz-juelich.de Professor Dr. Hans Lüth Institut für Schicht- und Ionentechnik, Forschungszentrum Jülich GmbH, D-52425 Jülich und Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, D-52062 Aachen e-mail: h.lueth@fz-juelich.de ISBN 3-540-66074-7 5. Auflage Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York ISBN 3-540-58575-3 4. 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 3-540-66074-7 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: 10732609 56/3144/ba-543210 Gedruckt auf säurefreiem Papier
Inhaltsverzeichnis 1. Die chemische Bindung in FestkoÈrpern... 1 1.1 Das Periodensystem... 1 1.2 Kovalente Bindung... 4 1.3 Die Ionenbindung... 9 1.4 Metallische Bindung... 13 1.5 Die WasserstoffbruÈckenbindung... 14 1.6 Die Van der Waals-Bindung... 15 Ûbungen... 17 2. Die Struktur von FestkoÈrpern... 21 2.1 Translationsgitter... 22 2.2 Punktsymmetrien... 25 2.3 Die 32 Kristallklassen (Punktgruppen)... 27 2.4 Die Bedeutung der Symmetrie... 28 2.5 Einfache Kristallstrukturen... 31 2.6 Phasendiagramme von Legierungen... 36 2.7 Defekte in FestkoÈrpern... 46 Ûbungen... 49 3. Die Beugung an periodischen Strukturen... 51 3.1 Die allgemeine Beugungstheorie... 51 3.2 Periodische Strukturen und reziprokes Gitter... 56 3.3 Die Streubedingung bei periodischen Strukturen... 58 3.4 Die Braggsche Deutung der Beugungsbedingung... 60 3.5 Die Brillouinschen Zonen... 62 3.6 Der Strukturfaktor... 64 3.7 Methoden der Strukturanalyse... 66 Ûbungen... 70 Tafel I: Beugungsexperimente mit verschiedenen Teilchen... 72 Tafel II: RoÈntgeninterferometer und RoÈntgentopographie... 78 4. Dynamik von Atomen in Kristallen... 83 4.1 Das Potential... 84 4.2 Die Bewegungsgleichungen... 85 4.3 Die lineare zweiatomige Kette... 87 4.4 Streuung an zeitlich veraènderlichen Strukturen ± Phononenspektroskopie... 91 4.5 Elastisches Verhalten von Kristallen... 94 Ûbungen...105 Tafel III: Raman-Spektroskopie...107
XII Inhaltsverzeichnis 5. Thermische Eigenschaften..................... 113 5.1 Die Zustandsdichte............................ 114 5.2 Thermische Energie eines harmonischen Oszillators... 117 5.3 Spezifische WaÈrme............................ 118 5.4 Anharmonische Effekte......................... 121 5.5 Thermische Ausdehnung........................ 122 5.6 WaÈrmeleitung durch Phononen................... 125 Ûbungen......................................... 131 Tafel IV: Experimente bei tiefen Temperaturen............ 132 6. ¹Freieª Elektronen im FestkoÈrper............... 137 6.1 Das freie Elektronengas im Potentialkasten.......... 138 6.2 Das Fermi-Gas bei T=0 K...................... 142 6.3 Fermi-Statistik............................... 144 6.4 Spezifische WaÈrme der Metallelektronen............ 147 6.5 Elektrostatische Abschirmung in einem Fermi-Gas ± Mott-Ûbergang.............. 151 6.6 GluÈhemission aus Metallen...................... 154 Ûbungen......................................... 158 7. Elektronische BaÈnder in FestkoÈrpern............ 161 7.1 Allgemeine Symmetrieeigenschaften............... 162 7.2 NaÈherung des quasifreien Elektrons............... 165 7.3 NaÈherung vom ¹stark gebundenenª Elektron her...... 170 7.4 Beispiele von Bandstrukturen.................... 175 7.5 Zustandsdichten.............................. 179 7.6 Zustandsdichte nichtkristalliner FestkoÈrper.......... 181 Ûbungen......................................... 185 Tafel V: Photoemissionsspektroskopie.................. 187 8. Magnetismus................................ 191 8.1 Dia- und Paramagnetismus...................... 192 8.2 Austauschwechselwirkung...................... 197 8.3 Austauschwechselwirkung zwischen freien Elektronen. 200 8.4 Das Bandmodell fuèr den Ferromagnetismus......... 202 8.5 Das Temperaturverhalten eines Ferromagneten im Bandmodell............................... 206 8.6 Ferromagnetische Kopplung bei lokalisierten Elektronen 209 8.7 Antiferromagnetismus.......................... 212 8.8 Spinwellen.................................. 216 Ûbungen......................................... 221 Tafel VI: Magnetostatische Spinwellen.................. 222 Tafel VII: OberflaÈchenmagnetismus.................... 226 9. Bewegung von LadungstraÈgern und TransportphaÈnomene..................... 229 9.1 Bewegung von LadungstraÈgern in BaÈndern ± die effektive Masse............................ 229 9.2 StroÈme in BaÈndern und Defektelektronen........... 233
Inhaltsverzeichnis XIII 9.3 Streuung von Elektronen in BaÈndern............... 235 9.4 Boltzmann-Gleichung und Relaxationszeit........... 239 9.5 Die elektrische LeitfaÈhigkeit von Metallen........... 244 9.6 Thermoelektrische Effekte....................... 250 9.7 Das Wiedemann-Franz-Gesetz.................... 254 9.8 Elektrische LeitfaÈhigkeit durch lokalisierte Elektronen.. 255 Ûbungen......................................... 259 Tafel VIII: Quantenoszillationen und die Topologie von Fermi-FlaÈchen........................ 261 10. Supraleitung................................. 265 10.1 Einige GrundphaÈnomene der Supraleitung........... 265 10.2 PhaÈnomenologische Beschreibung durch London-Gleichungen...................... 270 10.3 InstabilitaÈt des ¹Fermi-Seesª und Cooper-Paare....... 273 10.4 Der BCS-Grundzustand......................... 278 10.5 Das Anregungsspektrum des Supraleiters............ 287 10.6 Konsequenzen der BCS-Theorie und Vergleich mit experimentellen Befunden.................... 292 10.7 Suprastrom und kritischer Strom.................. 296 10.8 KohaÈrenz des BCS-Grundzustandes und Meissner-Ochsenfeld-Effekt.................. 300 10.9 Quantisierung des magnetischen Flusses............ 305 10.10 Supraleiter 2. Art.............................. 308 10.11 Neuartige ¹Hochtemperaturª-Supraleiter............. 316 Ûbungen......................................... 325 Tafel IX: Einelektronen-Tunneln an Supraleitern........... 327 Tafel X: Cooper-Paar-Tunneln ± Josephson-Effekte......... 334 11. Dielektrische Eigenschaften der Materie........... 339 11.1 Die dielektrische Funktion....................... 339 11.2 Absorption elektromagnetischer Strahlung........... 342 11.3 Die dielektrische Funktion fuèr harmonische Oszillatoren 345 11.4 Longitudinale und transversale Eigenschwingungen.... 348 11.5 OberflaÈchenwellen eines Dielektrikums............. 350 11.6 Das ReflexionsvermoÈgen des dielektrischen Halbraums. 352 11.7 Das lokale Feld............................... 353 11.8 Polarisationskatastrophe und Ferroelektrika.......... 356 11.9 Das freie Elektronengas......................... 357 11.10 Interband-ÛbergaÈnge........................... 360 11.11 Exzitonen................................... 367 11.12 Dielektrische Energieverluste von Elektronen......... 368 Ûbungen......................................... 372 Tafel XI: Spektroskopie mit Photonen und Elektronen...... 375 Tafel XII: Infrarot-Spektroskopie...................... 377 Tafel XIII: Die Methode der frustrierten Totalreflexion...... 379 12. Halbleiter................................... 381 12.1 Daten einiger wichtiger Halbleiter................. 382
XIV Inhaltsverzeichnis 12.2 LadungstraÈgerdichte im intrinsischen Halbleiter...... 386 12.3 Dotierung von Halbleitern...................... 390 12.4 LadungstraÈgerdichte in dotierten Halbleitern......... 394 12.5 LeitfaÈhigkeit von Halbleitern.................... 399 12.6 Der p-n-ûbergang und der Metall/Halbleiter-Schottky-Kontakt......... 405 12.7 Halbleiterheterostrukturen und Ûbergitter........... 421 12.8 Wichtige Halbleiterbauelemente.................. 434 Ûbungen......................................... 448 Tafel XIV: Hall-Effekt.............................. 450 Tafel XV: Zyklotron-Resonanz bei Halbleitern............ 452 Tafel XVI: Shubnikov-de Haas-Oszillationen und Quanten-Hall-Effekt................... 454 Tafel XVII: Halbleiterepitaxie........................ 460 Literaturverzeichnis............................... 465 Sachverzeichnis................................... 477 Periodensystem der Elemente (Vordere EinbandruÈckseite) Konstanten und Øquivalentwerte (Hintere EinbandruÈckseite)
http://www.springer.com/978-3-540-66074-3