Quelltext der Seite Festkörperphysik

Die '''Festkörperphysik''' (auch abgekürzt: FKP; {{EnS|solid state physics}}) befasst sich mit der Physik von Materie im festen [[Aggregatzustand]]. Sie gehört thematisch zur Physik der [[Kondensierte Materie|kondensierten Materie]] ({{EnS|condensed matter physics}}) und umgekehrt.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.dpg-physik.de/vereinigungen/fachlich/skm |titel=Sektion Kondensierte Materie (SKM) |hrsg=DPG |datum=2023-01-09 |sprache=de |abruf=2023-01-31}}</ref> Von besonderer Bedeutung sind dabei [[kristall]]ine [[Festkörper]]. Das sind solche, die einen [[Symmetrie (Geometrie)#Translationssymmetrie|translationssymmetrischen]] (periodischen) Aufbau aufweisen, da diese Translationssymmetrie die physikalische Behandlung vieler Phänomene drastisch vereinfacht oder erst ermöglicht. Daher erfolgt die Anwendung des Modells des idealen [[Kristallgitter]]s häufig auch dann, wenn die Bedingung der Periodizität nur sehr eingeschränkt, zum Beispiel nur sehr lokal erfüllt ist. Die Abweichung von der strengen Periodizität wird dann durch Korrekturen berücksichtigt. Das Studium der nicht-kondensierten Materie ist das Fachgebiet der '''[[Weiche Materie|Weichen Materie]]'''.
[[Datei:Magnet 4.jpg|mini|hochkant=1.5|[[Supraleiter]] gehören zum Forschungsgebiet der Festkörperphysik.]]

== Erscheinungsformen von Festkörpern ==
=== Kristalline Festkörper ===
[[Datei:Conflict minerals 961w.jpg|mini|Vier Beispiele für kristalline Festkörper: [[Coltan]], [[Kassiterit]], [[Wolframit]] und [[Gold]].]]
Die Physik [[Kristall|kristalliner]] Festkörper '''(Kristallphysik)''' befasst sich mit Festkörpern, die einen periodischen Aufbau aufweisen.
* Die [[Kristallstruktur]] repräsentiert die statische periodische Ordnung im kristallinen Festkörper.
{{Siehe auch|Kristallographie}}
* Die [[Gitterschwingung]]en beschreiben die [[Dynamik (Physik)|Dynamik]] in der kristallinen Ordnung. Ihre Beschreibung verwendet häufig das Modell der [[Quasiteilchen]]. Bei Gitteranregungen werden diese [[Phonon]]en genannt.
* Die auf die [[Elektronenhülle]] der regelmäßig angeordneten Atome zurückgehenden Eigenschaften führen zu [[Bändermodell]] und [[Bandstruktur]], deren Parameter diverse makroskopische Eigenschaften ([[Optik]] usw.) berechenbar machen.
* Die [[magnetische Ordnung]] repräsentiert die statische Ordnung der [[Magnetisches Moment|magnetischen Momente]] im Festkörper ([[Diamagnetismus]], [[Paramagnetismus]], [[Ferromagnetismus]], [[Antiferromagnetismus]], [[Spindichtewelle]]n, [[Magnetooptik]] etc.).
* Die [[Magnetische Anregung|magnetischen Anregungen]] beschreiben die Dynamik der magnetischen Ordnung. Die zugehörigen Quasiteilchen heißen [[Magnon]]en.

=== Teilkristalline Substanz ===
Eine teilkristalline Substanz, die zwar eine gewisse [[Nahordnung]] im Bereich von 4,5–6&nbsp;[[Ångström (Einheit)|Å]]<ref>{{Literatur |Autor=M. Popescu, H. Bradaczek |Titel=Microparacrystalline model for medium-range order in non-crystalline chalcogenides |Sammelwerk=[[Journal of Optoelectronics and Advanced Materials]] |Band=3 |Nummer=2 |Datum=2001-06 |Seiten=249–254 |Online=https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/p011509.pdf |Format=PDF |KBytes=437 |Abruf=2016-09-21}}</ref> aufweist, im Gegensatz zu einem Kristall aber keine ausgeprägte [[Fernordnung]], ist ein [[Parakristall]].

=== Amorphe Festkörper ===
[[Datei:Metalic Glas Vitreloy4.jpg|mini|[[Metallisches Glas]] ist ein amorpher Festkörper.]]
Die Physik [[Amorph|amorpher Festkörper]] befasst sich mit Festkörpern, die keine [[#Ordnungszustände in Festkörpern|Fernordnung]] aufweisen.
* [[Glas]]
* [[Unterkühlung (Thermodynamik)|Unterkühlte Schmelze]]

== Grenzflächenphysik ==
Die Grenzflächenphysik befasst sich mit den Besonderheiten an Grenzflächen, die [[Oberflächenphysik]] ist ein Spezialfall der Grenzflächenphysik bei [[Grenzfläche]]n zum [[Vakuum]]. Die physikalischen Eigenschaften der wenigen Atomlagen nahe der Grenzfläche unterscheiden sich aufgrund der nicht-periodischen Randbedingungen von der Physik im Inneren, das auch '''Volumen-Festkörper''' genannt wird.<ref name="books-Ymc646T32csC-1">Horst-Günter Rubahn, Frank Balzer: ''Laseranwendungen an harten und weichen Oberflächen.'' Springer-Verlag, 2005, ISBN 978-3-519-00490-5, S.&nbsp;1 ({{Google Buch |BuchID=Ymc646T32csC |Seite=1 |Hervorhebung=Volumen-Festkörper}}).</ref>

== Ordnungszustände in Festkörpern ==
{{Hauptartikel|Nahordnung und Fernordnung}}
Bei der Beschreibung der Regelmäßigkeit im Aufbau des Festkörpers betrachtet man einerseits die Nahordnung im Bereich weniger Nanometer und andererseits die Fernordnung, die sich auf weit größere Entfernungen bezieht.

{| class="wikitable"
|+ Nahordnung bis Fernordnung in Festkörpern
|-
! Zustand
! Reichweite der Ordnung
! Beispiel
|-
| [[amorph]] (Nahordnung)
| nächste und übernächste Teilchen
| [[Glas]]
|-
| [[nanokristall]]in
| [[Nanometer]]
| [[Parakristall]]
|-
| mikro[[kristall]]in
| [[Meter#Mikrometer|Mikrometer]]
| [[Quarz]]
|-
| [[polykristallin]]
| [[Millimeter]]
| [[Polykristalliner Diamant]]
|-
| [[monokristallin]] (Fernordnung)
| [[Zentimeter]]
| monokristalline [[Ingot]]s
|}

Neben diesen eher klassischen Formen der Ordnung kann in niedrig-dimensionalen Systemen eine „quasi-Fernordnung“ (quasi long range order) auftreten. Diese spielt zum Beispiel bei [[Kosterlitz-Thouless-Übergang|Kosterlitz-Thouless-Übergängen]] eine Rolle. In Festkörpern mit zwei oder weniger Dimensionen kann es gemäß [[Mermin-Wagner-Theorem]] keine echte Fernordnung geben. Im [[XY-Modell]] für [[Spin|Spins]] manifestiert sich diese "quasi-Fernordnung" durch die Bildung von eng gebundenen Paaren aus Löchern und „Anti-Löchern“. Das [[Geschlecht (Fläche)|Geschlecht]] dieser Paare ist in Summe null. Diese Paare haben kaum Einfluss auf die (gemäß Mermin-Wagner-Theorem gebrochene) Fernordnung im Kristall.

== Forschung & Entwicklung ==

=== Forschungsverbände, Institute usw. ===
''Hinweis: Die Liste erhebt keinen Anspruch an Vollständigkeit. Viele weitere Institute an Universitäten sowie angrenzende Wissenschaften existieren.''
* [[Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik]] (IAF)
* [[Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung|Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden]]
* [[Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik]]
* [[Max-Planck-Institut für Festkörperforschung]]
* [[Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik]]
* Sektion Kondensierte Materie (SKM) der [[Deutsche Physikalische Gesellschaft|DPG]]
* [[Walter Schottky Institut|Walter-Schottky-Institut]] der [[Technische Universität München|TUM]]
* [[Walther-Meißner-Institut für Tieftemperaturforschung]]

=== Preise und Auszeichnungen ===
Es werden weltweit verschiedene Preise in der FKP verliehen, z. B.:

* [[Walter-Schottky-Preis]], verliehen von der [[Deutsche Physikalische Gesellschaft|DPG]]
* [[Oliver E. Buckley Condensed Matter Prize]], verliehen von der [[American Physical Society|APS]]

Der Festkörperphysik können insgesamt eine Vielzahl an [[Nobelpreis für Physik|Nobelpreisen]] zugeordnet werden.<ref>{{Literatur |Autor=Julio A Gonzalo, Carmen Aragó López |Titel=Great Solid State Physicists of the 20th Century |Verlag=WORLD SCIENTIFIC |Datum=2003-04 |Sprache=en |ISBN=978-981-238-336-5 |DOI=10.1142/5245}}</ref>

=== Moderne Forschungsthemen ===
* [[Graphen]]
* „Heavy-[[Fermion]]“-Systeme<ref>{{Internetquelle |autor=Andreas Battenberg (Red.) |url=https://www.ph.tum.de/latest/news/heavy-fermion-systems/ |titel=Supraleitung im Land der „schweren Elektronen“ |titelerg=Wechselspiel von elektronischem Magnetismus, Kernspins und Supraleitung |werk=Nachrichten aus dem Physik-Department |hrsg= Physik-Department · [[Technische Universität München]] |datum=2016-02-01 |abruf=2016-09-19}}</ref>
* [[Hochtemperatursupraleiter]]
* [[Quasikristall]]e
* [[Silicen]]
* [[Skyrmion]]en<ref>{{Literatur |Autor=Christian Pfleiderer |Titel=Magnetische Wirbel im Festkörper |Sammelwerk=Physik Journal |Nummer=15 |Auflage=8/9 |Verlag=Wiley-VCH |Ort=Weinheim |Datum=2016 |Online=https://www.pro-physik.de/restricted-files/84876}}</ref>
* [[Spin-Glas]]

== Untersuchungsmethoden in der Festkörperphysik ==
In der Festkörperphysik, ähnlich wie in der [[Festkörperchemie]], werden eine Reihe von Methoden verwendet, um die Eigenschaften insbesondere von funktionellen Materialien zu untersuchen und deren Eigenschaften in Tiefe der Struktur zu verstehen. Das ist in vielen modernen Anwendungen wie [[Elektronik]], [[Computerchip]]s, [[Halbleiter]]technik, [[Solarzelle]]n, [[Batterie (Elektrotechnik)|Batterien]], [[Beleuchtung]], [[Metall]]en oder [[Nichtleiter|Isolatoren]] von Bedeutung. Zu den wichtigen Methoden zählen:

Die [[Röntgenbeugung]] nutzt den Effekt der Beugung von [[Röntgenstrahl]]en an [[Kristallgitter]]n zur Untersuchung der Symmetrieeigenschaften von Festkörpern, die in 230 verschiedenen sogenannten [[Raumgruppe]]n vorliegen. Dazu werden [[Röntgendiffraktometer]] eingesetzt. Materialien können damit auch auf ihre Qualität und Reinheit sowie die Kristallitgröße untersucht werden.

Die [[Neutronenbeugung]] nutzt denselben Beugungseffekt mit den gleichen Grundprinzipien wie die Röntgenbeugung, jedoch werden statt der Röntgenstrahlen [[Neutron]]en eingesetzt, die meist in [[Kernreaktor|Forschungskernreaktoren]] bereitgestellt werden. Aufgrund der anderen Welleneigenschaften des massereichen Neutrons gegenüber der Röntgenstrahlung sind die Diffraktometer sehr groß, meist mehrere Meter. Neben den 230 Raumgruppen lassen sich insbesondere [[Magnetismus|magnetische]] Ordnungen in Kristallen untersuchen. Unter Hinzuziehung des [[Spin]]s erweitern sich die magnetischen Raumgruppen auf 1651.

Mit [[Magnetometer]]n werden insbesondere die magnetischen Eigenschaften untersucht. Eine der häufigen Methoden ist das [[SQUID]] in Verbindung mit [[Kryostat]]en, um die verschiedenen Arten des Magnetismus zu bestimmen und die magnetischen [[Phasendiagramm]]e zu ermitteln.

Mit [[Diffusion#Tracerdiffusion|Tracerdiffusion]] wird die Diffusion von Atomen und Ionen in Kristallen untersucht. Dies ist wichtig bei [[Dotierung]]sprozessen oder für die Temperaturstabilität von Materialien, z.&nbsp;B. bei der [[Festoxidbrennstoffzelle]].

Während die bisherigen Methoden makroskopische Eigenschaften messen, können mit Methoden der [[Nukleare Festkörperphysik|Nuklearen Festkörperphysik]] lokale Strukturen auf atomarer Ebene untersucht werden, indem Atomkerne als Sonde verwendet werden. Damit kann z.&nbsp;B. die Größe des magnetischen Feldes am Ort des Kerns gemessen werden oder auch lokale Defekte im Kristallgitter. Eine andere wichtige Größe sind [[Elektrischer Feldgradient|elektrische Feldgradienten]], mit denen die lokale Struktur und deren Änderung bei Temperaturänderung oder Konzentrationsänderung bestimmter Komponenten im Material erforscht wird. Messmethoden sind z.&nbsp;B. [[Mößbauer-Spektroskopie]], [[Gestörte Gamma-Gamma-Winkelkorrelation]], [[Kernspinresonanzspektroskopie]] oder [[Myonenspinspektroskopie]].

== Literatur ==<!-- Chronologisch -->

=== Grundlagen ===

* {{Literatur |Autor=[[Rudolf Gross (Physiker)|Rudolf Gross]], Achim Marx |Titel=Festkörperphysik |Auflage=4. |Verlag=De Gruyter Oldenbourg |Ort=Boston |Jahr=2022 |ISBN=978-3-11-078234-9}}
* {{Literatur |Autor=Konrad Kopitzki, Peter Herzog |Titel=Einführung in die Festkörperphysik |Verlag=Springer |Ort=Berlin/Heidelberg |Datum=2017 |ISBN=978-3-662-53577-6 |DOI=10.1007/978-3-662-53578-3}}
* {{Literatur |Autor=[[Philip Hofmann (Physiker)|Philip Hofmann]] |Titel=Einführung in die Festkörperphysik |Verlag=Wiley-VCH |Ort=Weinheim |Jahr=2013 |Reihe=Lehrbuch Physik |ISBN=978-3-527-41226-6}}
* {{Literatur |Autor=[[Harald Ibach]], [[Hans Lüth]] |Titel=Festkörperphysik |Verlag=Springer |Ort=Berlin/Heidelberg |Jahr=2009 |Reihe=Springer-Lehrbuch |ISBN=978-3-540-85794-5 |DOI=10.1007/978-3-540-85795-2}}
* {{Literatur |Autor=[[Ludwig Bergmann (Physiker)|Ludwig Bergmann]], [[Clemens Schaefer (Physiker)|Clemens Schaefer]] |Titel=Festkörper |Hrsg=Ludwig K. Thomas u. a. |Auflage=2., überarbeitete Auflage |Verlag=Walter de Gruyter |Jahr=2005 |Reihe=[[Bergmann-Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik|Lehrbuch der Experimentalphysik]] |BandReihe=6 |ISBN=978-3-11-017485-4 |DOI=10.1515/9783110198157}}

=== Weiterführend ===

* {{Literatur |Autor=Wolfram Hergert, R. Matthias Geilhufe |Titel=Group Theory in Solid State Physics and Photonics |Verlag=Wiley-VCH |Ort=Weinheim |Jahr=2018 |ISBN=978-3-527-41300-3}}
* {{Literatur |Autor=Gerd Czycholl |Titel=Theoretische Festkörperphysik Band 1 |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Jahr=2016 |ISBN=978-3-662-47140-1 |DOI=10.1007/978-3-662-47141-8}}
* {{Literatur |Autor=Gerd Czycholl |Titel=Theoretische Festkörperphysik Band 2 |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Jahr=2017 |ISBN=978-3-662-53700-8 |DOI=10.1007/978-3-662-53701-5}}
* [[Bernhard Schiekel]]: '' Festkörperphysik und Topologie – eine Einführung'', 839 S., Ulm, 2023, {{DOI|10.18725/OPARU-49527}}.

=== Klassiker ===

* {{Literatur |Autor=[[Charles Kittel]] |Titel=Introduction to Solid State Physics |Auflage=9. (Global edition) |Verlag=Wiley |Ort=Hoboken, NJ |Jahr=2018 |Sprache=en |ISBN=978-1-119-45416-8}}
** Deutsche Ausgabe: {{Literatur |Autor=Charles Kittel |Titel=Einführung in die Festkörperphysik |Auflage=15., unveränd. Aufl |Verlag=Oldenbourg |Ort=München |Jahr=2013 |ISBN=978-3-486-59755-4}}
* {{Literatur |Autor=[[Neil Ashcroft]], [[David Mermin]] |Titel=Festkörperphysik |Auflage=4., verbesserte Auflage |Verlag=Oldenbourg Verlag |Ort=München |Jahr=2013 |ISBN=978-3-486-71301-5}}
* {{Literatur |Autor=[[Joseph Callaway]] |Titel=Quantum Theory of the Solid State |Auflage=2 |Verlag=Academic Press |Ort=Boston |Datum=1991 |Sprache=en |ISBN=978-0-12-155203-9 |Online=https://archive.org/details/quantumtheoryofs0000call}}
* {{Literatur |Autor=[[Christian Weißmantel]], Claus Hamann |Titel=Grundlagen der Festkörperphysik |Auflage=3. Aufl. |Verlag=[[Deutscher Verlag der Wissenschaften]] |Ort=Berlin |Jahr=1989 |Reihe=[[Hochschulbücher für Physik]] |BandReihe=42 |ISBN=978-3-326-00381-8 |Online=https://link.springer.com/de/book/9783642671166}}
* {{Literatur |Autor=Charles Kittel, Ching Y. Fong |Titel=Quantum Theory of Solids |Auflage=2. |Verlag=Wiley |Ort=New York |Datum=1987 |Sprache=en |ISBN=978-0-471-62412-7 |Online=https://archive.org/details/quantumtheoryofs0002kitt}}
* {{Literatur |Autor=[[John Ziman|J. M. Ziman]] |Titel=Principles of the theory of solids |Auflage=2. |Verlag=University Press |Ort=Cambridge, UK |Datum=1972 |Sprache=en |ISBN=978-0-521-08382-9 |Online=https://archive.org/details/principlesoftheo0000zima}}
* {{Literatur |Autor=[[Joseph Callaway]] |Titel=Energy Band Theory |Verlag=Academic Press |Ort=New York; London |Datum=1964 |Sprache=en |Reihe=Pure and Applied Physics |BandReihe=16 |Online=https://archive.org/details/energybandtheory0000call}}
* Die Serie ''Solid State Physics'' in mehreren Bänden (Hrsg.: [[Ehrenreich]], [[Frederick Seitz|Seitz]], [[David Turnbull (Physiker)|Turnbull]]) ab ca. 1960

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4016921-2|LCCN=sh85124640}}
[[Kategorie:Festkörperphysik| ]]
[[Kategorie:Nanotechnologie]]
[[Kategorie:Physikalisches Fachgebiet]]