5. Energetik der Elektronen 5.1 Elektrische Leitfähigkeit kondensierter Materie

Ähnliche Dokumente
Ferromagnetismus: Heisenberg-Modell

2. Der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands α. Die SI-Einheit K -1 ρ = ρ

UniversitätQ Osnabrück Fachbereich Physik Dr. W. Bodenberger

7. Elektronendynamik

Experimentelle Physik II

Elektronen im Festkörper

4. Energetik des Kristallgitters 4.1 Energie und spezifische Wärme

10.Einführung in die Festkörperphysik

Proseminar: Theoretische Physik. und Astroteilchenphysik. Fermi- und Bose Gase. Thermodynamisches Gleichgewicht

Elektronen in Metallen. Seminar: Nanostrukturphysik 1 Fakultät: 7 Dozent: Dr. M. Kobliscka Referent: Daniel Gillo Datum:

Hochtemperatur - Supraleiter

6. Die Chemische Bindung

Festkörperphysik. Aufgaben und Lösun

Bandstrukturen - leicht gemacht

Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

2.4 Metallische Bindung und Metallkristalle. Unterteilung in Metalle, Halbmetalle, Nicht metalle. Li Be B C N O F. Na Mg Al Si P S Cl

ELEKTRONEN IN FESTKÖRPERN

Vorlesung am 7. Juni 2010

Inhaltsverzeichnis. Vorwort. Wie man dieses Buch liest. Periodensystem der Elemente

Anorganische Chemie III

Achim Kittel. Energie- und Halbleiterforschung Fakultät 5, Institut für Physik Büro: W1A Tel.:

Elektrische Eigenschaften von Festkörpern

Einführung in die Physikalische Chemie Teil 1: Mikrostruktur der Materie

Werkstoffe der Elektrotechnik im Studiengang Elektrotechnik

Ferienkurs Experimentalphysik 4

Feynman Vorlesungen über Physik

Photonische Kristalle

Praktikum Materialwissenschaft II. Wärmeleitung

Thermodynamik und Statistische Physik

E 2 Temperaturabhängigkeit elektrischer Widerstände

Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde:

= g = 50u. n = 1 a 3 = = = 2.02Å. 2 a. k G = Die Dispersionsfunktion hat an der Brillouinzonengrenze ein Maximum; dort gilt also

Elektrischer Strom S.Alexandrova 1

Kritische Dimensionen

1. Wärmelehre 1.1. Temperatur. Physikalische Grundeinheiten : Die Internationalen Basiseinheiten SI (frz. Système international d unités)

Seminar für Fragen der Festkörpertheorie. P.N. Racec

15.Magnetostatik, 16. Induktionsgesetz

Freie Elektronen bilden ein Elektronengas. Feste positive Aluminiumionen. Abb. 1.1: Metallbindung: Feste Atomrümpfe und freie Valenzelektronen

Fragen zur Vorlesung Licht und Materie

6. Transporteigenschaften von Metallen

Kernmagnetismus: normalflüssiges 3 He. Kernspin magnetisches Moment schwacher Magnetismus des 3 He Suszeptibilität: T F.

Optische Eigenschaften von Metallen und Legierungen

Die seltsame Welt der Quanten

Dr. Sheldon Cooper (Jim Parsons)...either isolating the terms of his formula and examing them individually or looking for the alligator that

4.2 Metallkristalle Bindungsverhältnisse

15. Vom Atom zum Festkörper

Anorganische Chemie II

Josephson Kontakt. Hauptseminar. Lehel Sabo und Marco Miller. 10. Februar / 24

3.4. Leitungsmechanismen

Physikalische Chemie IV Statistische Thermodynamik, SS2013

Atommodell. Atommodell nach Bohr und Sommerfeld Für sein neues Atommodell stellte Bohr folgende Postulate auf:

Typische Eigenschaften von Metallen

Formelsammlung Werkstoffkunde

9. Dynamik des Kristallgitters

1) Brillouin-Streuung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit

Methoden. Spektroskopische Verfahren. Mikroskopische Verfahren. Streuverfahren. Kalorimetrische Verfahren

HANDOUT. Vorlesung: Glasanwendungen. Überblick optische Eigenschaften

INSTITUT FÜR ANGEWANDTE PHYSIK Physikalisches Praktikum für Studierende der Ingenieurswissenschaften Universität Hamburg, Jungiusstraße 11

Medizinische Biophysik

der Periodendauer ist die Frequenz der Schwingung = ω 1 (Masse mal Beschleunigung). Die Lösung dieser Differentialgleichung führt auf die

Abb. 1 Solarzellen PHOTOVOLTAIK. Stefan Hartmann

Materie im Magnetfeld

Magnetismus. Prinzip: Kein Monopol nur Dipole. Kräfte:

8.1. Kinetische Theorie der Wärme

Ableitung der Zustandsdichte

F-Praktikum Physik: Widerstand bei tiefen Temperaturen

Elektrizitätslehre und Magnetismus

Experimentalphysik 2

Physik IV Einführung in die Atomistik und die Struktur der Materie

Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien

Magnetismus der Materie. Bernd Fercher David Schweiger

5 Freie Elektronen. 5.1 Klassische Beschreibung Metalle und ihre Eigenschaften Das Drude-Modell. Abbildung 5.1: Metallische Bindung.

Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde: Thema: Metallbindung / Salzstrukturen

Das magnetische Feld

e βεa = 1 β eα Z 1 (β,v ), über die allgemeine Beziehung e αn Z (kl) N (β,v )

Physikdepartment. Ferienkurs zur Experimentalphysik 4. Daniel Jost 10/09/15

5. Freie Elektronen Das klassische Drude-Modell Freies Elektronengas

Festkörperphysik. Juni 2010

Grundlagen der Allgemeinen und Anorganischen Chemie. Atome. Chemische Reaktionen. Verbindungen

Man kann zeigen, dass das Magnetfeld an der Oberfläche des Supraleiters eindringen

Ultrakalte Atome in optischen Gittern als Quantensimulatoren Seminar Optik/Photonik

Theoretische Physik F Statistische Physik

5. Elektronen- und Rotations- Spektren von Molekülen

Magnetochemie. Eine Einführung in Theorie und Anwendung. Von Prof. Dr. rer. nat. Heiko Lueken Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Transport-Phänomene: Bewegung von Elektronen

4 Thermodynamik mikroskopisch: kinetische Gastheorie makroskopisch: System:

z n z m e 2 WW-Kern-Kern H = H k + H e + H ek

Physik für Ingenieure

Quantisierung des elektromagnetischen Feldes

Erzeugung tiefer Temperaturen

Strukturaufklärung (BSc-Chemie): Einführung

Ferienkurs Experimentalphysik 4

SQUID. Superconducting Quantum Interference Device Funktionsweise und Anwendungen. Christian Bespin

1 2 G G (3.1) , wobei a 0 die Gitterkonstante ist, sind diese Punkte durch die kartesischen Koordinaten

Leistungsbauelemente

Bandstrukturen II: NFE-Ansatz

Übungen zu Moderne Theoretischen Physik III SS Curie-Paramagnetismus ( =30 Punkte, schriftlich)

22. Chemische Bindungen

2. Struktur von Festkörpern

Magnetresonanztomographie (MRT) * =

Transkript:

5. Energetik der Elektronen 5.1 Elektrische Leitfähigkeit kondensierter Materie Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe bei Raumtemperatur W -1 cm -1 10 6 10 3 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 s Cu Bi Graphit Ge Si Metalle Feste Halbleiter NaCl Luft Glas PVC Bernstein,Teflon Glimmer, Diamant Salzschmelzen Reines Wasser Isolatoren Flüssigkeiten Elektrolyte 1

2 Ionenrümpfe Leitungselektronen - - - - - - - - - - - - - E Valenzelektronen der Atome werden bei Metallen zu den Leitungselektronen Bildung eines Sees aus freien Elektronen Elektronische Bindung, Elektronenleitung Anteil der Ionenrümpfe am Kristallvolumen: Alkalimetalle: 10-20% Edelmetalle: 80-95% Kraft F auf Leitungselektronen im Elektrischen Feld E: F = m e dv/dt = - e o E dv = - e o E dt/m e

5.2 Streuung der Elektronen im Kristall Leerstelle Konzentrationsschwankung Zwischengitteratom Oberfläche Elektron- Phonon- Streuung Kaum Elektron-Elektron Streuung!!! Pauli-Prinzip streuendes Elektron Versetzung Isotopenschwankung Mittlere freie Weglänge: Stromdichte j im elektrischen Feld: j = s E In der Zeit t zurückgelegte Wegstrecke: l = v F t Definition der elektrischen Stromdichte: j = - e o (N/V) v v = - e o E l / (m e v F ) Elektrische Leitfähigkeit: s = Ne 2 o l V m e v F Cu: l = 4 10-8 m (T=300 K) l = 0,4 cm (T=4 K) 3

Hall-Effekt in Metallen: Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration N B z Lorentz-Kraft: F = e o (v x B) Hallfeld: E y = R h j x B z Hallkonstante: R h = - (e o N / V) -1 j x E y j x Metall R h (exp.) [10-24 CGS Einheiten] Ladungsträger /Atom R h (ber.) [10-24 CGS Einheiten] Li - 1,89 1 Elektron - 1,48 Na - 2,619 1 Elektron - 2,603 Cu - 0,6 1 Elektron - 0,82 Al 1,136 1 Loch 1,135 In 1,774 1 Loch 1,780 4

5.3 Fermiverteilung der Elektronen Elektronen: halbzahliger Spin Pauli-Prinzip: jeder Energiezustand ist einfach besetzt. System mit Einteilchenenergieniveaus E i, Entartungsgrad g i für jedes Niveau und Besetzungszahl n i (n i g i ) Thermisches Gleichgewicht: df = i  F dn i n i Freie Energie F des Elektronensystems: Teilchenzahlerhaltung:  dn i = 0 F = U - TS; U = Ân i E i ; S = k B ln P i Zahl der Permutationen bei der Besetzung der Zustände durch die Elektronen: P = g i! n i!(g i - n i )! ; S = k  lng!- lnn!- ln(g - n )! B i i i i i i i [ ] Chemisches Potential µ: m = F n i = E i k B T ln n i g : i -n i 5

Fermi-Dirac Verteilung f (E,T) = 1 exp E-m k B T 1 Gilt nur für Fermiteilchen mit halbzahligem Spin T = 0K: µ = E F E F : Fermi-Energie f (E,T) 1 T F = E F /k B = 5 10 4 K 2 T 0 K 300 K 5000 K 1 2 3 4 5 6 E/k B 6

5.4 Fermikante und Fermienergie T = 0K: Alle Zustände E < E F besetzt. Große mittlere freie Weglänge l und hohe Fermi-Temperatur T F 50 000 K nur quantenphysikalisch erklärbar. d e f(e,t) 1 d e 3 f E 1 2 f E E F E 7

Zahl der Elektronen, die miteinander wechselwirken: d e /E F e o E l /E F E = 1000 V/m E F = 10-18 J l = 4 10-8 m d e /E F = 5 10-6 WW nur mit jedem 200 000 st Elektron! Fermi-Energie und -Geschwindigkeit des freien Elektronengases bei T = 0K. E F = h 2 2 m e (3 ϖ 2 n) 2/3 v F = h k F /m e E kin = p 2 /2 m e p = h k = m e v Beispiel: Cu n = 8,5 10 22 cm -3 k F = 1,36 10 8 cm -1 v F = 1,57 10 8 cm/s E F = 7,0 ev T F = 81 600 K 8

5.5 Zustandsdichte freier Elektronen Hohe Fermi-Energie: 1.) Fermiteilchen (Pauli-Prinzip) 2.) kleine Elektronenmasse 3.) Elektronenzahldichte Schrödinger-Gleichung für ein Elektron im 3-dimensionalen Raum: - h2 2m e Ê Á Ë 2 x 2 2 y 2 2 z 2 Periodische Randbedingungen y k ( r L, y, z ) =y k ( x, y, z ) ˆ y k ( r ) = E k y k ( r ) Lösung der Schrödinger-Gleichung: laufende ebene Wellen y k = exp (i k r) k x = 0; ±2π/L; ±4π/L 9

F Energieeigenwerte: k z E k = h2 k 2 = h2 ( k 2 x k 2 y k 2 z ) 2m e 2m e k F k y Zahl der Zustände E E F 3 4p k N = 2 F 3( 2p / L ) = V 3 3p k 3 2 F Zustandsdichte der Elektronen: D( E ) = dn de = V 2p Ê 2m e Á 2 Ë h 2 ˆ 3 / 2 E 1 / 2 D(E) k x T>0K Fermi-Fläche bei der Energie E F T=0K E F E 10

5.6 Elektronenwellen U Vakuum L a Vakuum Austrittsarbeit 0 r Periodisches Gitterpotential Laufende Welle y - y y l = 2a ~ cos( p x/a) x ~ sin(p x/a) destruktiv Elektronen-Interferenz Aufenthaltswahrscheinschlichkeit y 2 y - 2 a x konstruktiv x x Verschiedene Energien für y 2 und y - 2 Energielücke bei k = nϖ/a (n=0,1,2..) erlaubte Zonen (Energiebänder) verbotene Zonen (Bandlücken) 11

5.6 Brillouin-Zonen und Elektronenwellen Brillouinzonen im dreidimensionalen Gitter: Streuung der Elektronenwellen am Rand der Brillouin-Zonen Resonanz-Stellen l = 2 a/n oder k = nϖ/a E 2 { E 1 { 1. Brillouin-Zone 3. Brillouin-Zone E 2. Brillouin-Zone k 2p p 0 p 2p a a a a a y y - y y - E(k): Dispersionsrelation: Weit weg von Resonanzstellen E ~ k 2 (freie Elektronen) In der Nähe der Resonanzstellen E(k) hängt vom Gitterpotential U(r) ab. Energielücke E an den Resonanzstellen k = nϖ/a 12

Anisotropie der Elektronenwellen im dreidimensionalen Gitter Kubisch raumzentriertes Gitter mit drei markierten Richtungen Bloch-Funktionen in den drei ausgezeichneten Richtungen [111] [110] [100] Wellenfunktion eines Elektrons im Gitter y k setzt sich zusammen aus freiem Elektronen-Anteil y k (f) und dem Gitterpotential u k : y k (r) = y k (f) (r) u k (r) = A exp(ikr) u k (r) y k (r): Bloch-Funktionen Die gestrichelten Kurven entsprechen den Zuständen freier Elektronen y k (f), die rot durchgezogenen Kurven den für ein bestimmtes Gitterpotential berechneten Zuständen der Elektronen y k = y k (f) u k. 13

Anisotropie der Elektronenwellen im dreidimensionalen Gitter Kubisch raumzentriertes Gitter mit drei markierten Richtungen Bloch-Funktionen in den drei ausgezeichneten Richtungen [111] [110] [100] Wellenfunktion eines Elektrons im Gitter y k setzt sich zusammen aus freiem Elektronen-Anteil y k (f) und dem Gitterpotential u k : y k (r) = y k (f) (r) u k (r) = A exp(ikr) u k (r) y k (r): Bloch-Funktionen Die gestrichelten Kurven entsprechen den Zuständen freier Elektronen y k (f), die rot durchgezogenen Kurven den für ein bestimmtes Gitterpotential berechneten Zuständen der Elektronen y k = y k (f) u k. 14

5.7 Energieniveaus, Zustandsdichte und Fermiverteilung E max E E F f F (E,T > 0K) w * (E i ) D(E) Grundzustand E i Fermienergie: E F = h 2 (3ϖ 2 n) 2/3 /m e E F = m e v F2 /2 Fermiverteilung: f F (E,T) = 1/(exp(E-µ)/k B T 1) T = 0K: µ = E F f F << 1 bzw. E >> k B T f F (E,T = 0 K) Boltzmannverteilung f B (E,T) = 1/exp(E/k B T) 0 f F = 1 w *, D, f F E max : Bindungsenergie der Elektronen im Kristall 15

5.8 Spezifische Wärme der Elektronen Analog zum Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Wärme des Gitters Ê C e V = de e ˆ Á Ë dt V ª d dt Ê Á Ë E max Ú 0 ˆ E f F ( E,T ) D( E ) de V Zustandsdichte eines freien Elektronengases: D( E ) = ( 2m e ) 3 / 2 E p 2 h 3 T << T F : C e V ª p 2 3 D( E )k 2 F B T ª p 2 2 nk T B gt T F Aus Messungen der spezifischen Wärme als Funktion der Temperatur bei tiefen Temperaturen wird die elektronische Zustandsadichte D(E F ) bestimmt. 16

Gesamte spezifische Wärme eines kristallinen Metalls bei tiefen Temperaturen: C V = gt bt 3 ; C V /T = g bt 2 Beiträge der Elektronen und Phononen zur spezifischen Wärme; Zusätzliche Beiträge in: amorphen Metallen magnetischen Metallen g Metall g exp g exp (10-3 J mol -1 K -2 ) g fel Li Na K Cu Ag Al Fe Co Ni 1.7 1.7 2.0 0,69 0,66 1,35 4,98 4.98 7,02 2,3 1,5 1,1 1,37 1,02 1,6 10,0 10,3 15,3 17

5.9 Magnonen Strukturelle und magnetische Ordnung Beispiel: krz Eisen parallele Ausrichtungen permanenter Spins Ferromagnetismus Magnetische Überstrukturen: Beispiel: Antiferromagnetisches MnO (311) 80 K, T < T N 293 K, T > T N (311) k' = k G Magnetische Überstruktur, durch elastische Neutronenbeugung nachgewiesen. 18

Magnetische Anregungen Wechselwirkung von N Spins S: N. (Heisenberg-Modell) U = - 2JÂS p S p1 p=1 Grundzustand: U o = - 2 N J S 2 Angeregter Zustand U 1 = U o 4 J S 2 Anregung von Spinwellen niederenergetisch Quantelung der Spinanregungen: Magnonen 19

Bestimmung der Dispersionsrelation, Zustandsdichte und Energie analog zu Phononen: Dispersionsrelation: È hw = 2J SÍ z -Âcos( k d ) ; hw = ( 2J Sa 2 )k 2 ka << 1 Î Quantisierung der Spinwellen: Zustandsdichte: d Ê E k = n k 1 ˆ Á hw k ; n k = 0,1,2... Ë 2 g(w ) = 1 4p 2 Ê h ˆ Á Ë 2J S a 2 Verteilungsfunktion: 3 / 2 w 1 / 2 f ( E,T ) = 1 exp( hw / k B T )-1 Magnonen sind Bosonen und gehorschen der Bose-Einstein Statistik! 20

Anzahl der bei der Temperatur T angeregten Magnonen: Â n k = 1 k 4p 2 Ê h ˆ Á Ë 2J S a 2 3 / 2 w Ú 1 / 2 0 exp( hw / k B T )-1 Änderung der Magnetisierung: Â n k N S = DM( T ) k DM( 0 ) ; DM( T ) DM( 0 ) = 0,0587 SQ Ê k B T ˆ Á Ë 2J S 3 / 2 Blochsche T 3/2 - Gesetz E Ú max 0 U M = E f ( E,T ) g( E ) de Zustandsdichte Verteilungsfunktion Energie der Magnonen U M Energie einer Mode U M = N 3 4p ( k T B )5 / 2 2 ( 2J S ) x 1 / 2 Ú dx 3 / 2 0 exp( x )-1 21

Inelastische Neutronenstruktur: Dispersionskurven Erhaltungssätze für Energie und Wellenvektor h 2 k 2 2M n = h2 k' 2 2M n ± hw k k` = kg±k Akustische Phononen: K(w=0)=0 Gleichphasige Schwingungen benachbarter, Atome Optische Phononen: Gegenphasige Schwingungen Longitudinal, Transversal 22

5.10 Spezifische Wärme der Magnonen C V M = du M dt = 0,113k Ê k B B T ˆ Á Ë 2J sa 2 3 / 2 Spezifische Wärme isolierender ferromagnetischer Kristalle: C V = C V M C V G C V T -3/2 = a bt 3/2 experimentelle Bestimmung von a: Austauschwechselwirkung J C V T 3/2 [erg/cm 3/2 ] 200 160 120 80 40 0 Y 3 Fe 5 O 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 T 3/2 [K 3/2 ] Ni: J = 2,14 10-2 ev J etwa um Faktor 2,4 höher als in der Molekularfeld-Theorie (lokale Momente) berechnet Modell des itineranten Magnetismus (Bänder-Modell) 23

5.11 Niederenergetische Anregungen in amorphen Metallen Zwei-Niveau-Systeme/Tunnelsysteme Potential U y 2 E o 1> 2> -d 0 d V x verallgemeinerte Koordinate q Bei Überlappung der Wellenfunktionen: Tunnelprozesse y 1 exp -a 2 (xd) 2 y 1 exp -a 2 (x-d) 2 E o = hw o ; V o =1/ 2 mw o d 2 y 1 Ú y 2 dx = exp( -l ) 0 - Tunnelparameter: l= (2m V o d 2 /h 2 ) 1/2 Tunnelaufspaltung: = hw o exp(-l) 24

Asymmetrisches Doppelmuldenpotential e Dichte der ZNS mit konstanter Zustandsdichte P: Jedes ZNS trägt mit einer Schootky-Anomalie zur spezifischen Wärme bei C ZNS ( T,t ) = k B r d Zwei-Niveau-System mit den Energien: E 1/2 = ±(e 2 2 ) 1/2 Beispiel: m = 100 AME, d = 0,5Å, /kb = 100 mk, /h = 2ns t max n( E,t ) = P( E,t ) = P Ê Ú lná 4t 2 Ë = p 2 12 k B t min Ê Ú Á 0 Ë 2 t min E ˆ exp( -E / k B T ) n( E,t )de 2 k B T ( exp( -E / k B T )1) Ê 2 P ln 4t ˆ Á T ª p 2 Ë 6 k 2 B n o T t min ˆ Amorphe Metalle: C V = C v el C V ZNS C V G = gt at bt 3 25

5.12 Amorphe Supraleiter T << T C : Kondensation der Quasi-Teilchen (Elektronen) in den supraleitenden Grundzustand Elektronen sind vom Energieaustausch entkoppelt Spezifische Wärme Wärmeleitfähigkeit im Nullfeld und im Magnetfeld B 26

5.13 Kalorimeter 27