Festkörperphysik: Einführung in die Grundlagen

517 Pages·2009·7.539 MB·German

by  Harald Ibach, Hans Lüth (auth.)

Springer-Lehrbuch
Harald Ibach Hans Lüth
Festkörperphysik
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Professor Dr. Harald Ibach
Institut für Bio- und Nanosysteme
Forschungszentrum Jülich GmbH, 52425 Jülich und
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule
52062 Aachen, Deutschland
E-mail: [email protected]
Professor Dr. Dr. h.c. Hans Lüth
Institut für Bio- und Nanosysteme
Forschungszentrum Jülich GmbH, 52425 Jülich und
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule
52062 Aachen, Deutschland
E-mail: [email protected]
ISBN 978-3-540-85794-5 e-ISBN 978-3-540-85795-2
DOI 10.1007/978-3-540-85795-2
Springer-Lehrbuch ISSN 0937-7433
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987654321
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Vorwort zur siebten Auflage
Mit der sechsten Auflage hat sich unsere „Festkörperphysik“ wei-
ter als Standardwerk weltweit etabliert. Dies zeigt sich u.a. daran,
dass neben den Übersetzungen ins Englische, Japanische und Pol-
nische nun auch eine koreanische Fassung vorliegt.
Es war deshalb wiederum an der Zeit, das Buch an neue Ent-
wicklungen in Forschung und Lehre anzupassen. Wir haben uns
dabei vor allem durch die Tatsache leiten lassen, dass immer wei-
tere Bereiche der Festkörperforschung und ihrer Anwendungen
durch Nanostrukturen und nanostrukturierte Materialien bestimmt
werden. Ein treibendes Moment hierbei ist vor allem die Entwick-
lung der Mikroelektronik hin zu einer Nanoelektronik, in der cha-
rakteristische Bauelementstrukturen in den 10nm-Bereich hinun-
terskaliert werden. Auf dieser Größenskala treten vermehrt dimen-
sionsbedingte Quanteneffekte auf. Die Nanoelektronik wird so zur
Quantenelektronik. Dementsprechend haben wir neben einer neuen
Tafel über Verfahren zur Nanostrukturierung einen Abschnitt über
Quantentransport in Nanostrukturen aufgenommen. Hier werden
die wichtigsten Quanteneffekte beschrieben, die uns beim elektro-
nischen Transport in nanoskalierten Festkörpern begegnen.
Mit immer kleineren Dimensionen wächst die Bedeutung von
Grenzflächen. Dies wird besonders augenfällig bei den magneti-
schen Eigenschaften von Dünnschichtsystemen mit ihrem Wechsel-
spiel verschiedener magnetischer Anisotropien. Einen besonderen
Akzent setzt der von Albert Fert und Peter Grünberg (Nobelpreis
2007) entdeckte Riesenmagnetowiderstand. Ihm und dem Magne-
tismus in Dünnschichtsystemen ist eine neue Tafel gewidmet. Zum
Verständnis dieser neuen Entwicklungen war auch die Einfügung
eines Abschnitts über magnetokristalline Anisotropie erforderlich.
Um das Buch nicht zu umfangreich werden zu lassen, haben wir
eine Tafel über Oberflächenmagnetismus entfallen lassen. Die Ta-
fel über magnetostatische Spinwellen haben wir hingegen belassen,
einerseits wegen ihres pädagogischen Wertes und andererseits, weil
Peter Grünberg in seinem Nobelvortrag darauf hingewiesen hat,
wie sehr ihm seinerzeit die Herausstellung seines Experimentes in
einem Lehrbuch Ermutigung war.
Natürlich wurden auch Inkonsistenzen und Druckfehler besei-
tigt, auf die uns Kollegen und Studenten dankenswerterweise auf-
merksam gemacht haben.
Jülich und Aachen, im Oktober 2008 H. Ibach · H. Lüth
Vorwort zur fünften und sechsten Auflage
Nachdem die „Einführung in die Festkörperphysik“ mittlerweile
auchindenSprachenEnglisch,JapanischundPolnischalsLehrbuch
an vielen Universitäten benutzt wird, war es an der Zeit, den Text
einmalgründlichzuüberarbeiten unddurchneueAbschnitteanzeit-
naheForschungsthemenanzupassen.Hierbeihabenwirunsvondem
Gedankenleiten lassen,dassinderfestkörperphysikalischenAusbil-
dung die Bezüge zur Materialwissenschaft und zur Anwendung in
den letzten Jahren stärker betont werden. Dementsprechend betonen
wirin der neuen Auflage die Abweichungenvomperiodischen Fest-
körperstärker:Sowerdenjetztz.B.PhasendiagrammevonLegierun-
gen, Grundzüge der Defektphysik und verschiedene Aspekte amor-
pherFestkörperbehandelt. WegenderhohenBedeutungmechanisch
verspannter Systeme für Bauelemente ist eine Ausbildung in den
Grundlagen der Elastizitätstheorie (wieder) notwendig geworden,
der wir deshalb einen Abschnitt gewidmet haben.
Der neue Abschnitt über das Anregungsspektrumdes Supraleiters
solldenLeserandie moderneForschungaufdemGebiet derSupra-
leiter/Normalleitergrenzflächen und an Anwendungen im Bereich
der Supraleiterelektronik heranführen. Ähnliches gilt für die Ergän-
zung über Metall/Halbleiter-Schottky-Kontakte und für den neuen
AbschnittüberwichtigeHalbleiterbauelemente. HierwerdenGrund-
lagen erarbeitet, welche die Verständnislücke zwischen klassischer
FestkörperphysikundmodernerMikroelektronik,einemderwichtig-
sten Anwendungsfelder der Festkörperphysik, schließen sollen.
Bei allen Ergänzungen haben wir versucht, dem bisherigen
Geist des Werkes treu zu bleiben, und wir haben deshalb die Phä-
nomene in den allgemeinen Zusammenhang eines atomistisch be-
gründeten festkörperphysikalischen Verständnisses gebracht.
Die sechste Auflage ist gegenüber der fünften nur wenig verän-
dert. Neben Druckfehlerkorrekturen wurde die Darstellung in den
Kapiteln 3, 9 und 10 in einigen Punkten neu gestaltet.
Für zahlreiche Anregungen bedanken wir uns bei Dipl.-Phys.
Klaus Dahmen, Dr. Arno Förster, Dr. Margret Giesen, Dr. Michel
Marso, Dr. Angela Rizzi und Dr. Thomas Schäpers.
Dank gilt auch den Herren Dr. H.J. Kölsch und C.-D. Bachem
vom Springer-Verlag für die sehr effiziente und erfreuliche Zusam-
menarbeit.
Jülich, im Juli 1999 H. Ibach · H. Lüth
und Oktober 2001
Vorwort zur vierten Auflage
Die vorliegende Einführung in die Festkörperphysik hat sich an
vielen deutschsprachigen Universitäten und mittlerweile in der eng-
lischsprachigen Ausgabe auch an amerikanischen Hochschulen mit
Erfolg als Lehrbuch durchgesetzt.
Die englische Ausgabe enthielt zum ersten Mal Übungsaufgaben
zu den einzelnen Kapiteln, was sich als überaus nützlich für den
Gebrauch des Buches im Rahmen der Vorlesung erwies. Für die
vorliegende 4. deutsche Auflage haben wir die Übungsaufgaben
überarbeitet. Sie sollen den Stoff vertiefen; in einzelnen Fällen füh-
ren sie aber auch über den Stoff des Buches hinaus, um zu weite-
ren Studien anzuregen.
Neben Fehlerkorrekturen und kleineren Verbesserungen der Dar-
stellung wurden im Vergleich zur dritten Auflage einige Kapitel
überarbeitet oder ergänzt. So wurde TafelV über Photoemissions-
spektroskopie durch eine Darstellung der winkelaufgelösten Photo-
emission (ARUPS) und deren Bedeutung für die Untersuchung
elektronischer Bandstrukturen ergänzt. Abschnitt10.10 über
„Hochtemperatur“-Supraleiter wurde neu geschrieben, weil dieser
hochaktuelle Forschungszweig sich rasch weiterentwickelt und seit
der Herausgabe der dritten Auflage des Lehrbuches wesentliche
neue wissenschaftliche Ergebnisse vorliegen, die manches in einem
anderen Licht erscheinen lassen.
Für die Neufassung des Abschnittes10.10 waren uns Diskussio-
nen mit Fachkollegen, die in der Supraleitungsforschung selbst ar-
beiten, hilfreich. Besonders danken wir Prof. C. Calandra von der
Universität Modena und Dr. R. Wördenweber aus dem Institut für
Schicht- und Ionentechnik des Forschungszentrums Jülich.
An der Überarbeitung der Übungsaufgaben waren die Herren
Dr. W. Daum, Dr. A. Förster, A. Leuther und Ch. Ohler beteiligt.
Ihnen sei an dieser Stelle gedankt. Wir danken Frau Dr. Margret
Giesen für die kritische Durchsicht des Manuskripts und zahlreiche
Verbesserungsvorschläge.
Jülich und Aachen, Juli 1995 H. Ibach·H. Lüth
Vorwort zur zweiten Auflage
Die erste Auflage unseres Lehrbuches hat bei Fachkollegen und
Studenten eine überaus positive Resonanz gefunden. Insbesondere
wurde die gleichrangige Behandlung theoretischer und experimen-
teller Aspekte der Festkörperphysik sowie die neuartige Darstel-
lung wichtiger Experimente und aktueller Forschungsgebiete in der
Form von Experimenttafeln gelobt. Neben spezifischer Kritik wur-
de vor allem der Wunsch nach Vervollständigung geäußert und das
Fehlen der wichtigen Gebiete des Magnetismus und der Supralei-
tung bemängelt. Letztere Kritik wog um so schwerer, als es sich
bei diesen beiden Gebieten um besonders aktuelle und wichtige
Forschungsgebiete in der gegenwärtigen Festkörperphysik handelt.
Die zweite Auflage wurde deshalb durch je ein Kapitel über Ma-
gnetismus und Supraleitung ergänzt. Wir haben uns bemüht, einfa-
che Grundmodelle für die Vielteilchenwechselwirkung vorzustellen
und zu diskutieren. Im Kapitel über Magnetismus wird die magne-
tische Kopplung sowohl lokalisierter Elektronen als auch delokali-
sierter Elektronen besprochen, und der Leser wird bis an moderne
Dünnschichtexperimente herangeführt. In der Supraleitung wird
vor allem die klassische Supraleitung im Rahmen einer einfachen
Darstellung der BCS-Theorie behandelt. Den neuen Hochtempera-
tur-Supraleitern wird ebenfalls ein Abschnitt gewidmet. Allerdings
ist die Entwicklung hier noch so im Fluss, dass wir uns auf eine
Darlegung experimenteller Ergebnisse und einiger Grundgedanken
beschränken mussten. Selbst hierbei ist zu erwarten, dass bis zur
Veröffentlichung des Buches neue wichtige Resultate aus Experi-
ment und Theorie vorliegen, auf die noch nicht eingegangen wer-
den konnte. Das Kapitel über Halbleiter wurde gegenüber der er-
sten Auflage wesentlich erweitert und vor allem durch die Themen
Halbleiter-Heterostrukturen, Übergitter, Epitaxie und Quanten-Hall-
Effekt ergänzt.
Durch die umfangreichen Erweiterungen hat sich der Charakter
des Buches dahingehend geändert, dass Gebiete aktueller For-
schung eine deutlich stärkere Betonung erfahren haben. Darüber
hinaus haben wir die Gelegenheit benutzt, Druckfehler und Un-
schönheiten der ersten Auflage zu beseitigen. Für die vielen Anre-
gungen von Kollegen, die wir hierzu in den vergangenen Jahren er-
hielten, bedanken wir uns herzlich. Dank gilt insbesondere den
Kollegen A. Stahl und W. Zinn, die durch einige Ratschläge und
Bereitstellung von experimentellem Material zu den beiden neuen
Kapiteln Supraleitung und Magnetismus beigetragen haben. Für
VorwortzurzweitenAuflage IX
die kritische Durchsicht von Teilen des Manuskriptes und der
Druckfahnen bedanken wir uns bei Frau Dr. Angela Rizzi und den
Herren W. Daum, Ch. Stuhlmann und M. Wuttig. Die Zeichnungen
haben Frau U. Marx-Birmans und Herr H. Mattke mit dankenswer-
ter Geduld angefertigt. Das Manuskript schrieben die Sekretärin-
nen Frau D. Krüger, M. Jürss-Nysten und G. Offermann. Den Her-
ren Dr. H. Lotsch und C.-D. Bachem vom Springer-Verlag danken
wir für die erfreuliche Zusammenarbeit.
Jülich, im September 1988 H. Ibach·H. Lüth
Vorwort zur ersten Auflage
EinneuesBuchnebenvielenvorhandenen,ausgezeichnetenLehrbü-
chernbedarfwohlderRechtfertigung.Wirmeinen,sieistinderEnt-
wicklung der Festkörperphysik als Wissensgebiet und Unterrichts-
fach begründet. Die Festkörperphysik hat sich in den letzten Jahr-
zehnten zu einer eigenständigen Disziplin innerhalb der Physik ent-
wickeltundeinnichtunerheblicherTeilderaktuellenphysikalischen
Forschung ist auf sie konzentriert. Gleichzeitig hat sich die Festkör-
perphysik ausgedehnt auf Bereiche, die vormals den Ingenieurwis-
senschaften, der Chemie oder empirischen Wissensgebieten vorbe-
halten waren. Als Folge dieser Entwicklung vermag heute weder
der einzelne Dozent das Gesamtgebiet zu überschauen und in seiner
Entwicklung zu verfolgen, noch ist die Festkörperphysik als solche
demStudentenvermittelbar.Wirhabengeglaubt,dassindieserSitua-
tioneinLehrbuch,welchessichradikalaufwesentlicheElementeder
Festkörperphysik beschränkt, nützlich sein könnte. Aufbauend auf
dieser Grundlage können dann Spezialvorlesungen angeboten wer-
den,diesichandenjeweiligenForschungsschwerpunktendereinzel-
nen Hochschulen ausrichten. Ein weiterer Gesichtspunkt für die Ge-
staltung dieses Buches war die Beobachtung, dass Festkörperphysik
aus technischen Gründen kaum als klassische Experimentalphysik-
Vorlesung mit Demonstrationsexperimenten gelesen werden kann.
AusdiesemGrundeundwegenderEigentümlichkeitderFestkörper-
physik, eine starke Verbindung von Theorie und Experiment herzu-
stellen,isteinestrengeTrennungzwischenexperimentellerundtheo-
retischer Festkörperphysik unseres Erachtens nicht zweckmäßig.
Das vorliegende Buch basiert auf dem Stoff einer Vorlesung, die
ein Semester vierstündig bzw. zwei Semester zweistündig gehalten
wurde. Im Zentrum der Darstellung steht der periodische Festkörper
in der Einteilchen-Näherung. Von daher ist es verständlich, dass so
wichtige Gebiete wie z.B. die Supraleitung nicht behandelt werden
konnten.DasBuchversuchtzwischenExperimentalphysikundtheo-
retischer Physik eine Mittellinie einzuhalten. Dort wo theoretische
Betrachtungen ohne allzu großen Aufwand möglich und hilfreich
sind, haben wir uns nicht gescheut, stärkere Anforderungen an das
Abstraktionsvermögen zu stellen. Wir haben ferner versucht, Be-
griffsbildungen, Modelle und Bezeichnungen, deren Kenntnis für
das Verständnis gegenwärtiger Originalliteratur der theoretischen
Festkörperphysik unumgänglich ist, mit in dieses Buch aufzuneh-
men. Wir haben uns andererseits bemüht, dort wo ein klassisches
Bild möglich und vertretbar ist, in diesem Bilde zu arbeiten.
VorwortzurerstenAuflage XI
In der Reihenfolge der Darstellung folgt das Buch dem Schema:
chemische Bindung, Struktur, Gittereigenschaften, elektronische
Eigenschaften. Wir glauben, dass diese Reihenfolge aus didakti-
schen Gründen zweckmäßig ist, weil sie es ermöglicht, besonders
schwierige festkörperphysikalische Begriffsbildungen zu einem
späteren Zeitpunkt einzuführen, wenn wichtige Fundamente bereits
an einfacheren Modellen bzw. Beispielen erarbeitet worden sind.
Die verhältnismäßig straffe und auf das Wesentliche konzen-
trierte Darstellung wird ergänzt durch Experimenttafeln, in denen
jeweils einige ausgewählte Experimente der Festkörperphysik dar-
gestellt sind. Hier hat der Leser Gelegenheit, sein bisher erarbeite-
tes Wissen zu überprüfen bzw. Anregungen für sein weiteres
Selbststudium zu empfangen.
Die Auswahl des Stoffes in den Kapiteln und in den Experi-
menttafeln erfolgte in dem Bemühen der Konzentration und ande-
rerseits im Hinblick darauf, das zu erfassen, was didaktisch gut
darstellbar und zu verstehen ist. Dass Auswahl und Auswahlkrite-
rien nicht frei von subjektiven Einflüssen sind und andere Autoren
die Akzente anders gesetzt hätten, ist wohl unvermeidbar.
Das Buch wäre nicht entstanden ohne Unterstützung durch Kol-
legen und Mitarbeiter. Auch ist viel Gedankengut unserer akademi-
schen Lehrer G. Heiland und G. Leibfried eingeflossen. Für die
Experimenttafeln haben insbesondere die Kollegen U. Bonse, G.
Comsa, W. Hartmann, B. Lengeler, H. Raether, W. Richter, W.
Sander, H.H. Stiller Bild- und Literaturmaterial ausgewählt und
zur Verfügung gestellt. Für die kritische Durchsicht einzelner Ab-
schnitte danken wir den Kollegen G. Comsa und W. Sander sowie
Herrn R. Matz. Weiterer Dank gilt Frau M. Mattern für ihre inten-
sive Mitarbeit bei der Korrektur der letzten Manuskriptfassung.
Das Manuskript haben die Sekretärinnen Frau H. Dohmen, I.
Kratzenberg, D. Krüger und G. Offermann geschrieben. Besonde-
rer Dank gilt Frau U. Marx, die alle Zeichnungen anfertigte und
unseren vielfältigen Änderungswünschen große Geduld entgegen-
brachte. Dem Springer-Verlag, insbesondere den Herren Dr. H.
Lotsch und R. Michels, danken wir für die ausgezeichnete Zusam-
menarbeit.
Jülich, Aachen im November 1980 H. Ibach·H. Lüth