Inhalt PEP5, Folien zur Vorlesung

Vorbemerkungen

1.   Molekülbindung

1.1 Kovalente Bindung

• Austauschwechselwirkung
• H2+-Molekül
• Bindende und antibindende Molekülorbitale
• H2-Molekül
• Heitler/London-Theorie

1.2 Hybridisierung

• sp3- und sp2-Hybridorbitale
• Externer Link: Animation zur Hybridisierung
• CH4, H20, NH3, C6H6
• C60
• Nobel Prize Chemistry 1996

 

2.   Molekülanregungen

2.1 Rotationen

• CO Molekül
• Optische Spektroskopie
• Dipol-Auswahlregeln

2.2 Vibrationen

• Anzahl Freiheitsgrade
• zweiatomige Moleküle
• lineare Moleküle, Beispiel CO2
• lineare Moleküle, Beispiel HCN
• H2O

2.3 Elektronische Anregungen

• Franck-Condon Prinzip
• elektronische Banden
• Link: Gerhard Herzberg: Nobel Lecture Spectroscopic studies of Molecular Structure

 

3.   Bindungen im Festkörper

3.1 Van-der-Waals Kräfte

• Lennard-Jones Potential
• Link: Functional Adhesive Surfaces with‘‘Gecko’’ Effect (Kampermann et al.)

3.2 Ionische Bindung

• Madelungenergie
• Evjen-Zellen

3.3 Kovalente Bindung

• Attrotrope des Kohlenstoff
• Link: Awesome allotropy (Editorial, Nature Materials 2010)

3.4 Metallische Bindung

• Delokalisierung
• Fermi-Energie

3.5 Wasserstoffbrückenbindungen

 

4. Struktur und Strukturbestimmung (Folien1; Folien2)

4.1 Kristallgitter

• Kristall, Punktgitter
• Primitive Einheitszelle, Wigner-Seitz Zelle
• Translationssymmetrie, Punktgruppen
• Literatur für Interessierte: R.C. Powell: Symmetry, Group Theory, and the Physical Properties of Crystals: via HEIDI)
• Quasikristalle
• Link: Nobelpreis Chemie 2011
• Link: Video explaining quasi-crystals - 60 symbols, U Nottingham
• Kristallklassen, Raumgruppen
• Link: Visualisierung von Kristallstrukturen
• Für Interessierte: Bilbao crystallographic server

4.2 Reale Kristalle

• Defekte (Punktedefekte, Schraubenversetzungen, Stufenversetzungen)
• Amorphe Festkörper (Nah-/Fernordnung)
• Kristallzüchtung
• Formgedächtnislegierungen

4.3 Strukturbestimmung und reziprokes Gitter

• Reziprokes Gitter, Brillouinzone (Link1: Link: N. Akopian, Beispiele von BZen, Link2: BZ-Applet, TU Graz)
• Miller-Indices
• Strukturbestimmung durch Diffraktion: X-rays, Neutronen, Elektronen, Atome
• Bragg Gesetz und Laue-Bedingung (Nobelpreis 1914: M. v. Laue, Nobelpreis 1915: W.H. and W.L. Bragg, Nobelpreis 1937: Elektronendiffration)
• Ewald Konstruktion
• Experimente Methoden (Links: Synchrotron: Diamond Light Source, Neutronendiffraktometer: 2Achsen-Diffraktometer am ILL Grenoble
• Transmissionselektronenmikroskopie (Link: Nobel prize 1986)

 

5. Gitterdynamik

5.1 Lineare Kette

• Gitterpotential - harmonisch (?)
• Bewegungsgleichungen
• Dispersionsrelation

5.2 Zwei-atomige Basis

• Optische und akustische Phononen
• Anregungslücke
• Quantisierung der Gitterschwingungen: Phononen

5.3 Messung der Phonenendispersion

• Link: Phonon dispersion database
• Inelastische Neutronenstreuung
• Link: Inelastic neutron scattering, ILL, Grenoble
• Link: Nobelpreis Physik 1994

5.4 Zustandsdichte

• Einstein-Modell, Debye-Modell
• Link: Nobelpreis 1936 Chemie: P. Debye

5.5 Spezifische Wärme von Isolatoren

• Dulong-Petit-Gesetz
• Debye Gesetz
• Universalität

5.6 Phononische Wärmeleitung

• Phonon-Phonon-Streuung: Normalprozesse vs. Umklappprozesse
• Defektstreuung; Casimir-Bereich

 

6. Leitungselektronen und Bändermodell

6.1 Freies Elektronengas/Sommerfeld-Modell

• Lösung der Schrödinger-Gleichung
• Fermifläche, Zustandsdichte
• Spezifische Wärme des freien Elektronengases

6.2 Elektronen im periodischen Potential

• Bloch-Theorem, Bloch-Elektronen
• Link: Felix Bloch: Über die QM der Elektronen in Kristallgittern, 1928
• "Leeres" Gitter V=0
• Schwaches Potential: fast freie Elektronen
• Bandlücke, Bandstruktur
• Nobelpreis 2010: Graphen
• Fermiflächen, Photoemissionsspektroskopie
• Link: PES Spektrometer Spring8, Japan

6.3 Dynamik von Bandelektronen

• Effektive Masse

6.4 Elektrische und thermische Leitfähigkeit in Metallen

• Beschleunigungstheorem, Elektronenbewegung im E-Feld
• Bloch-Oszillationen
• Weiterführend: Publikation Leo1997
• Thermische Leitfähigkeit in Metallen; Wiedemann-Franz-Gesetz

 

 

7. Supraleitung

• Link: www.superconductors.org
• Grundlegende Eigenschaften
• Supraleiter 1. und 2. Art
• Link: Bilder von Abrikosov-Gittern
• Link: Nobelpreis 2003 Theorie Supraleitung
• Phänomenologische Beschreibung (London)
• Link: SL Levitation
• Link: SL Levitation 2
• Mikroskopische Theorie (BCS)
• Link: Nobelpreis 1972 BCS
• Link: Nobelpreis 1987 Hochtemperatursupraleiter
• Cooper-Paare
• Supraleitung - Energielücke
• Link: Nobel laureate vs. grad student: a story about Bardeen and Josephson
• Statt einer Zusammenfassung: Emergent universe - SC dance flashmob

 

 

8. Halbleiter

• Intrinsische Halbleiter
• Exzitonen
• Direkte, indirekte Halbleiter
• Massenwirkungsgesetz für Halbleiter
• Dotierte Halbleiter
• H-Modell für Störstellen
• pn-Übergang
• Solarzelle, Leuchtdiode, Transistor
• Nobelpreis 2000: Halbleiter-Heterostrukturen
• Nobelpreis 1998: Fractional Quantum Hall Effekt
• Nobelpreis 2014: Blaue Leuchtdioden