Einführung in die Materialwissenschaften: Physikalisch-chemische Grundlagen und Anwendungen PDF
Preview Einführung in die Materialwissenschaften: Physikalisch-chemische Grundlagen und Anwendungen
W. Gopel/Chr. Ziegler EinfOhrung in die Materialwissenschaften: Physikalisch-chemische Grundlagen und Anwendungen Einfuhrung in die Materialwissenschaften: Physikalisch-chemische Grundlagen und Anwendungen Van Prof. Dr. rer. nat. Walfgang Gapel und Dr. rer. nat. Christiane Ziegler UniversiUitTubingen B.G.Teubner Verlagsgesellschaft Stuttgart· Leipzig 1996 Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Gopel Geboren 1943 in Weimar, ThOringen. Physikstudium und Habilitation in Physi kalischer Chemie an der Universitat Hannover. In den Jahren 1978 bis 1981 Gastwissenschaftler beim Xerox Palo Alto Research Center und Stanford Syn chrotron Radiation Center (CA, USA), Xerox Webster Research Center (NY, USA) und IBM T.J. Watson Research Center (NY, USA). Von 1981 bis 1983 Full Professor of Physics und Leiter des "Center of Surface Science and Submicron Analysis" (MT, USA). Se it1 983 Direktor des Instituts fOr Physikalische undTheo retische Chemie an der Universitat TObingen. Dr. rer. nat. Christiane Ziegler Geboren 1964 in TObingen, Baden-WOrttemberg. Studium der Chemie in TObin gen, Promotion in Physikalischer Chemie in TObingen. 1992 Gastwissen schaftlerin in Linkoping, Schweden, 1994 Gastwissenschaftlerin im Riken Insti tut, Japan. Von 1991 bis 1994 Wissenschaftliche Assistentin, se it 1995 Akade mische Ratin im Institut fOr Pysikalische und Theoretische Chemie an der UniversitatTObingen. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Gapel, Wolfgang: EinfUhrung in die Materialwissenschaften : physikalisch-chemische Grundlagen undAnwendungen / von Wolfgang Gapel und Christiane Ziegler. - Stuttgart; Leipzig: Teubner, 1996 ISBN 978-3-8154-2111-6 ISBN 978-3-322-93440-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-93440-6 NE: Ziegler, Christiane: Das Werk einschlieBlich aller seinerTeile ist urheberrechtlich geschUtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist oh ne Zustimmung des Verla ges unzuliissig und strafbar. Das gilt besonders fUr Vervielfiiltigungen, Obersetzungen, Mi kroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. © B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1996 Satz: Schreibdienst Henning Heinze, Nurnberg Vorwort "Interdisziplinare Ausbildung und Forschung" gilt als zeitgemaB. In den Na turwissenschaften losen sich traditionelle Grenzen zwischen Physik, Che mie, Biologie und Ingenieurwissenschaften insbesondere dann auf, wenn es sich urn die Entwicklung, Charakterisierung und Optimierung "neuer Ma terialien" handelt. Die Entwicklung wohlgeordneter Strukturen von Ma terialien mit besonderen Eigenschaften wird beispielsweise mit modischen Stichwortern wie Hochleistungskeramiken, N anostrukturen, intelligente Ma terialien ("smart materials") oder Mikrosystemtechnik charakterisiert. In dies en Bereichen sollten interdisziplinar arbeitende "Materialwissenschaft ler" uber Grundlagen der klassischen Studiengange der Physik, Chemie, Bio logie und Ingenieurwissenschaften verfugen. Nur so lassen sich beispielswei se die praktischen und theoretischen Aufgaben losen beim Herstellen neuer Materialien mit extremen thermischen, mechanischen, elektrischen, dielek trischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften, beim Miniaturisieren von elektronischen und optischen Bauelementen (" Top-down Approach"), beim Synthetisieren neuer organischer Strukturen ("Bottom-up Approach"), beim Simulieren biomolekularer Funktionseinheiten oder beim Aufbau von Hybridsystemen in Mikro- oder N anometerdimensionen mit einer Kombina tion aus Halbleiter-Bauelementen und organischen oder biologischen Funk tionseinheiten. Im Gegensatz zu den USA, wo es schon lange eigene Lehrstuhle und Studi engange fur Materialwissenschaften gibt, werden in Deutschland die Studen ten mit Interesse an dies em Gebiet uberwiegend in einem der o.g. klassischen Studiengange ausgebildet. Die physikalisch-chemische Grundausbildung deckt dabei i.allg. den fur das Grundlagenverstandnis zentralen Bereich ab, Spezialvorlesungen konzentrie ren sich auf Teilaspekte. Aus der Idee, erstmalig einen systematischen Einstieg in die Materialwissen schaften mit einem Schwerpunkt auf den physikalisch-chemischen Grundla gen in Buchform zu veroffentlichen, entstanden zwei aufeinander abgestimm te Monographien. 6 Vorwort • In der ersten Monographie werden die klassischen physikalisch-chemi schen Themenbereiche "Aufbau der Materie" und "Mikroskopie und Spektroskopie" in sich geschlossen behandelt. Sie kann als Lehrbuch und Grundlage beispielsweise in der Ausbildung der Chemiker oder Physiker eingesetzt werden. • Die hier vorliegende zweite Monographie mit dem Titel "Einfuhrung in die Materialwissenschaften: physikalisch-chemische Grundlagen und Anwendungen" behandelt phanomenologische thermische, mechanische, elektrische, dielektrische, optische und magnetische Eigenschaften. Da zu werden zahlreiche ausgew8hlte Anwendungsbeispiele vorgestellt, in denen diese Eigenschaften entweder empirisch oder auf mikroskopischer Ebene systematisch optimiert werden. Dieser Stoff kann v.a. auch in der Ingenieurausbildung eingesetzt oder als Vertiefung der ersten Monogra phie fur Spezialvorlesungen oder Wahlpflichtfacher verwendet werden. Beide Bande konnen sowohl als Lehrbucher als auch als N achschlage werke eingesetzt werden und geben gemeinsam einen systematischen Einstieg in die heutigen Materialwissenschaften mit dem Schwerpunkt auf ihrem atomistischen Verstandnis als wesentliche Voraussetzung fur die Entwicklung "neuer Materialien". Dieser methodische Zugang cha rakterisiert einen deutlichen 'Irend: Die fur den Praktiker wichtigen phanomenologischen Eigenschaften von Materialien werden nicht mehr rein empirisch optimiert, sondern oft uber die Kontrolle atomarer Struk turen "ingenieurgemaB" (uber "atomic engineering") ganz gezielt ein gestellt. Die vOrliegende Stoffauswahl ist aus zahlreichen VOrlesungs- und Seminar unterlagen entstanden, die unter sehr verschiedenen Randbedingungen erar beitet wurden: Dazu gehoren Skripten von Fortbildungskursen im Rahmen der Gesellschaft Deutscher Chemiker, des Verbands Deutscher Ingenieure oder verschiedener Technischer Akademien, Skripten von VOrlesungen im Rahmen der Weiterbildung von Chemikern, Physikern und Ingenieuren an einem Forschungszentrum (Center of Surface Science and Submicron Analy sis, Montana State University, USA), Skripten von VOrlesungen im Rahmen der physikalisch-chemischen Grundausbildung von Chemikern, Physikern und Biochemikern an Hochschulen (Universitaten Hannover und Tubingen) sowie Skripten zu Vorlesungen im Rahmen der wissenschaftlichen Weiter bildung mit dem Ziel eines europaischen Diploms in "Materials Science" (ERASMUS-Kurse seit 1990). Die Erfahrungen bei diesen unterschiedlichen Veranstaltungen zeigten, daB Teilbereiche der Materialwissenschaften als Stoff von Grundvorlesungen in Vorwort 7 unterschiedlichen Studiengangen haufig ohne Querverweise angeboten wer den. So besteht ein groBer Bedarf fur eine zusarnrnenfassende Monographie, urn diese Querbezuge unterschiedlicher rnethodischer Ansatze der Material wissenschaften kennenzulernen, urn interdisziplinare Problerne lasen zu ler nen und urn dieses Wissen an Beispielen zur Lasung neuer Aufgaben zu trainieren. Keine Monographie ist auf Anhieb perfekt, v.a. wenn sie ein weites Gebiet urnfaBt. Wir sind deshalb dankbar fur jede Hilfe, Kritik, Anregung und Korrektur. Zurn SchluB rnachten wir uns fur die zahlreichen Apregungen und Diskussio nen bei Kollegen, Mitarbeitern und Studenten bedanken. Dies gilt insbeson dere fur Prof. Alan Chadwick, Canterbury, der uns Material uber Punkt defekte und Einkristallzucht zur Verfugung stellte, sowie den anderen eu ropiiischen Kollegen des "Materials Science"-ERASMUS-Konsortiurns. Dan ken fur kritische Durchsicht, Anregungen, Ergiinzungen rnachten wir auch den Dozenten der Physikalischen Chemie an der Universitiit Tubingen: Prof. Gunther Gauglitz, Prof. Volker Hoffmann, Prof. Heinz Oberharnrner, Prof. Dieter Oelkrug, Priv.Doz. Dines Christen und Prof. Hans-Dieter Wiernhafer (jetzt Munster). Danken rnachten wir schlieBlich den unentbehrlichen Hel fern beirn Abfassen des urnfangreichen Manuskripts: Dr. Christine Stadler Scipioni und Christine Schierbaurn. Tubingen, Februar 1995 Wolfgang Gapel Christiane Ziegler Inhalt Symbolverzeichnis 11 o Einleitung 17 1 Aufbau der Materie 25 1.1 Teilchen-Welle-Dualismus . 25 1.2 Quantenmechanik . . . . . 31 1.3 Atome .......... . 38 1.4 Mehrteilchensysteme und chemische Gleichgewichte 47 1.4.1 Erlaubte Energieniveaus in Idealgasen. . . . . . . . 49 1.4.2 Systematik der Bindungstypen bei inner- und intermolekula ren Wechselwirkungen ..... 50 1.5 Festk6rper . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 1.5.1 Systematik der Bindungstypen . . . . . . . 59 1.5.2 Geometrie und elektronische Bandstruktur 61 1.6 Oberflachen und Grenzflachen .. 67 1.7 Energiezustande und Temperatur . . . . . 72 1.7.1 Teilchendefinitionen . . . . . . . . . . . . . 74 1.7.2 Temperatur als Verteilungsmodul fur Besetzungswahrschein lichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76 1.7.3 Allgemeine thermodynamische Funktionen und statistische Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78 2 Phanomenologische Eigenschaften 80 2.1 Thermische und chemische Eigenschaften . 89 2.1.1 Warmekapazitat . . . . . 89 2.1.2 Warmeleitfahigkeit . . . 96 2.1.3 Thermische Ausdehnung 99 2.1.4 Phasendiagramme . 101 2.1.5 Thermodynamik . . . . . 112 Inhalt 9 3 Neue Materialien und ihre Anwendungen 256 3.1 Diinne Schichten zur Kontrolle von Korrosion, VerschleiB und Reibung ...... 257 3.2 Klebstoffe.. . . . . . . 259 3.3 Verbundwerkstoffe.... 262 3.4 Metalle und Legierungen 268 3.5 Keramiken und Glaser 270 3.6 Nanokristalle. . . . . 284 3.7 Heterogene Katalyse . 286 3.8 Chemische Sensorik . . 291 3.8.1 Sensoren und chemische Analytik 291 3.8.2 Elementarschritte der molekularen Detektion . 295 3.8.3 Sensorarrays und "elektronische Nasen" . . . . 308 3.9 Brennstoffzellen. . . . . . . . . . . . . . . . . 313 3.10 Anorganische Materialien der Mikroelektronik und Photonik 317 3.11 Organische Materialien der molekularen Elektronik und Optik 335 3.12 Polymere .......... . 343 3.13 Supramolekulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . 352 3.14 Membranen ..................... . 356 3.15 Biokompatible Materialien und biohybride Systeme 360 4 Pdiparation definierter Materialien und Strukturen 368 4.1 Zucht von Einkristallen .... 370 4.2 Herstellung diinner Schichten 373 4.2.1 Molekularstrahlepitaxie . . . . 374 4.2.2 Chemische Gasphasenabscheid ung (CVD) 377 4.2.3 Selbstorganisierte Schichten 379 4.2.4 Modifizierung . 382 4.3 Strukturierung . 383 4.3.1 Atzverfahren .. 384 4.3.2 Lithographie .. 387 4.3.3 N anostrukturierung mit STM und SFM . 390 4.4 Mikrosystemtechnik . . . . . . . . . . . . 396 4.4.1 Herstellung von Si-Wafern ....... . 398 4.4.2 Fertigungstechnologien der Mikroelektronik . 399 4.4.3 Mikrostrukturtechnik 412 5 Literatur 417 10 Inhalt 6 Anhang 426 6.1 Schrodingergleichung . . . . . . . . . .426 6.2 Phanomenologische Thermodynamik · 431 6.2.1 Definitionen . . . . · 431 6.2.2 Zustandsfunktionen ... · 432 6.2.3 Hauptsatze. . . . . . . . .434 6.2.4 Fundamentalgleichungen .436 6.2.5 Gleichgewichtsbedingungen . · 441 6.3 Tabellen .......... . · 443 Sachverzeichnis 462 Symbolverzeichnis a Gitterkonstante D Diffusionskonstante fur mol are a A bsorptionskoeffizient Konzentrationen a Liinge eines eindimensionalen D Duktilitiit Potentialtopfs D Debyeliinge a Aktivitiit D(x) Zustandsdichte von x"- " aYX Transportkoeffizient Zustiinden A Admittanz §. piezoelektrischer Modul A freie Energie, Helmholtzener- e Elektron gie e Elementarladung A polare Achse e~Vs Bandverbiegung A Fliiche, auch Ao E el. Feldstiirke Ao Fliiche (bei Verwechslungsge- E Energie fahr mit freier Energie, sonst E Elastizitiitsmodul, Dehnungs- A) modul Q B urgersvektor E elektromotorische Kraft B magnetische Induktion (EMK) B Rotationskonstante EO Standard-EMK BR Remanenz EA Aktivierungsenergie c Lichtgeschwindigkeit Eb Bindungsenergie c Konzentration Ec Energie an der Leitungsband- C Krummung der Oberfliiche unterkante C Kapazitiit Ec Coulomb-Energie C Wiirmekapazitiit Cp Wiirmekapazitiit bei konstan- EF Fermi-Energie tern Druck Eg Energie der Bandlucke Cp* spezifische Wiirmekapazitiit Ekin kinetische Energie, gleichbe- bei konstantem Druck deutend mit T Cv Wiirmekapazitiit bei konstan- Ep Energie des Pumpniveaus bei tern Volumen Lasern d piezoelektrischcr Koeffizient Epot potentielle Energie, gleichbe- d Abstand deutend mit V D dielektrische Verschiebung Ev Energie an der Valenzband- D' Diffusionskonstante fur Teil- oberkante chenkonzentrationen Evac Energie des Vakuumniveaus
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