VORLESUNGEN:

Angewandte Festkörperchemie

Materialien zur Vorlesung (Links und Vorlagen)

In dieser einstündigen Vorlesung (Montags, 10 Uhr, SR 44/45) werden die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten von Festkörpern für ausgewählte Phänomene/Stoffe vertieft. Die Vorlesung schließt damit inhaltlich ganz eng an das Kapitel 3 der Vorlesung Festkörperchemie an. Wichtig bleibt trotz der 'materialwissenschaftlichen' und praktischen Thematik das für uns Chemiker wichtige Verständnis Bindung -> elektronische Struktur -> Strukturchemie -> Eigenschaft -> Anwendung und - nicht zu vergessen - ev. wichtige präparative Aspekte. Dieses Semester werden, um Überschneidungen mit der Vorlesung von Prof. Hillebrecht (Mo. 11 Uhr, SR 44/45) zu vermeiden, ausschließlich elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern behandelt.

1. Einleitung (Anschluß an die Vorlesung 'Festkörperchemie')
- Gliederung der Vorlesung Festkörperchemie (SVG, VL 1.1)
- Übersicht (SVG, VL 1.1)
- Polarisation: Linearer, nichtlinearer und ferroischer Response (SVG, VL 1.3)
2. Elektronische Transporteigenschaften
- 2.1. Physikalische Grundlagen
  - Der elektrische Strom im Festkörper
- 2.2. Niederdimensionale metallische Leiter
  - KCP (K₂[Pt(CN)₄]Br_0.3 . 3 H₂O
  - Hg_2.86AsF₆
  - Nb₃Sn
  - NbSe₂ (CdI₂-Typ)
  - Struktur von TTF/TCNQ
  - Struktur von Graphit
  - KC₈: Foto I (blass) und Foto II (Sonne)
  - KC₂₄: Foto I (blass) und Foto II (Sonne)
  - Struktur von Nanotube I (10x0)
  - Struktur von Nanotube II (5x5)
  - Struktur von Nanotube III (14x5)
  - TEM-Bild eines Multiwall-Nanoröhrchen
  - The Nanotube Site (div. Infos und Links)
  - A Carbon nanotube page (div. Infos und Links, Quellen usw.)
  - Synthesen von Nanoröhrchen
  - Synthesen
- 2.3. Supraleiter
  - 2.3.1. Physikalische Grundlagen
    - Klassifizierung von Supraleitern (SVG, VL 2.2.)
  - 2.3.2. Low-T_c-Materialien
    - Supraleitende Elemente (SVG, VL 2.2.)
    - Nb₃Sn
    - C₆₀ in K₃C₆₀
    - PbMo₆S₈ (Chevrell-Phasen)
    - MgB₂ (AlB₂-Typ)
    - Weitere Infos zu MgB₂ (mit Animated-Gifs des wichtigsten Phonons)
  - 2.3.3. High-T_c-Materialien
    - CaTiO₃: VRML und Beschreibung in der Strukturtypensammlung
    - La_1.8CuO₄ (K₂NiF₄-Typ)
    - YBa₂Cu₃O₇
    - HgBa₂Ca₂Cu₃O₈
    - Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀
    - Cu^I₂O zum Vergleich (VRML)
    - KCu^IIIO₂ zum Vergleich (VRML)
    - Video zum Meissner-Effekt
- 2.4. Halbleiter
  - 2.4.1. Theorie, Bändermodell
    - Bandstrukturen und Zustandsdichten (SVG, VL 2.4. oben)
    - Exkurs: Bandstrukturen, NFE-Ansatz (Vorl. 2.5.)
      - 1-dimensional, potentialfrei (SVG)
      - 1-dimensional, mit Kernpotentialen (SVG)
      - Bandstrukturen: verschiedene Darstellungen (SVG)
      - 2-dimensional (SVG)
    - Energieskalen (SVG, VL 2.4. Mitte)
    - Zustandsdichten von Metallen, Halbleitern usw. (SVG, VL 2.4., unten)
    - Energien, Spektren, optische Materialien
    - Band Theory (gute Einführung)
  - 2.4.2. Materialien
    - Elemente
      - Si, Ge: Diamant-Struktur (VRML)
      - Se-Struktur (VRML)
    - Binäre Verbindungen
      - Bandlücken von Elementen, III-V und I-VI-Halbleitern (SVG, VL 2.5. unten)
      - GaAs usw.: Zinkblende-Struktur (VRML)
      - AlN, GaN usw.: Wurtzit-Struktur (Polyederdarstellung) (VRML)
      - GaAs Einkristalle
      - Indium-Phosphid
      - 1
      - 1
      - 1
      - 1
      - Bi₂Te₃: Einzelschicht und Elementarzelle (VRML)
    - Ternäre und höhere Verbindungen
      - Tetraederstrukturen (SVG, VL 2.5. oben)
  - 2.4.3. Herstellung von Halbleitermaterialien und -bauelementen
    - Substratherstellung
      1. Kristallzüchtung (SVG, VL 2.7. oben)
      2. Schema Si nach Czochralski
      3. Si: ein fertiger EK (!)
      4. Phasendiagramm von GaAs (SVG, VL 2.7. oben)
      5. LEC für GaAs (SVG, VL 2.7. oben)
      6. Boat-Growth v. GaAs
    - Herstellung der Dotierung
      - Diffusionsverfahren (SVG, VL 2.7. Mitte)
    - Depositionsverfahren/Herstellung epitaktischer Schichten
      1. LPE II: Tipping-Technik (SVG, VL 2.7. Mitte)
      2. LPE III: Steady-State-Technik (SVG, VL 2.7. Mitte)
      3. LPE IV: Sliding (SVG, VL 2.7. Mitte)
      4. CVD: Anlagenschema (SVG, VL 2.7. Mitte)
      5. MBE Anlagenschema
      6. MBE-Anlage Foto (klein)
      7. MBE III
      8. MBE IV (gr. Foto)
      9. MBE V (auch gut, mehr Details)
      10. MBE VI (Foto ganze Anlage)
      11. Quellen bei der MBE (SVG, VL 2.8.)
      12. Element-Analytik (Übersicht) (SVG, VL 2.8.)
      13. Chip I (REM-Bild)
      14. Chip II (REM-Bild)
      15. Plasma-Processing (Bilder mit Erklärung)
  - 2.4.4. Anwendung von Halbleitern
    - Prinzip des p-n-Übergangs (SVG, VL 2.8.)
    - Kennlinie einer Diode (SVG, VL 2.9.)
    - Elektronik (einfache Halbleiterbauelemente)
      1. Prinzip von Transistoren (SVG, VL 2.9.)
      2. Bauarten von MOS-Transistoren (SVG, VL 2.9.)
      3. Transistor von Aussen
    - Elektronik (Computerchips)
    - Optoelektronik
      1. Spektrum LEDs (SVG, VL 2.10.)
      2. Aufbau von LEDs (SVG, VL 2.10.)
      3. HL-Laser (SVG, VL 2.10.)
      4. Bonds, Bands, and Doping: How Do LEDs Work?
      5. LEDs - Light Emitting Diodes Einführung und viele Beispiele für die Verwendung von LEDs
    - Photovoltaik
      1. Solarzelle (SVG, VL 2.10.)
      2. Allgemeines
      3. CuInS₂-Solarzelle (schematisch)
      4. Strom aus Licht: Photovoltaik (ZUM)
- 2.5. Thermoelektrische Effekte
3. Ionische Transporteigenschaften
- 3.1. Physikalische Grundlagen
  - Ionenleitfähigkeiten verschiedener Festelektrolyte (T-Abhängigkeit)
  - Klassifizierung von Punktdefekten (SVG)
  - α-AgI (VRML)
  - RbAg₄I₅ (Link zur Strukturtypensammlung, VRML)
  - ZrO₂-CaO-Phasendiagramm (SVG)
  - Anwendungen von ZrO₂ (SVG)
  - Aluminium-Oxide (Link zur Metall-Vorlesung)
  - ß-Alumina (nur Oxid als Kugeln, statisch)
  - ß-Alumina (schematisch, SVG)
  - Na-S-Zelle (Aufbau und Phasendiagramm Na-S, SVG)
  - Potentiale bei verschiedenen Batteriesystemen (SVG)
  - LiNiO₂ (VRML)
  - CsC₈ (VRML)
  - Skizze Zn-Kohle-Batterie
  - Foto Lambda-Sonde
  - NiMH-Zelle (Detail)
  - Inside the NiMH-Battery
  - Li-Ionen-Battery
  - Li-Metalloxid-Zellen (mit Erklärung)
  - Varta: Informative Seiten zu Batterien
- 3.2. Materialien und ihre Anwendung
  - ZrO₂
  - β-Alumina, in Kap. 4.4. der Vorlesung Chemie der Metalle
  - AgI: VRML (große Kugeln: Iodid; grüne Kugeln: statistisch besetzte Silberionen-Positionen)
  - RbAg₄I₅: VRML und Beschreibung in der Strukturtypensammlung
  - Li-Ionenleiter, z.B. LiNiO₂
4. Elektrische Polarisation (Dielektrika, Pyro-, Piezo-, Ferro-Elektrika)
- 4.1. Physikalische Grundlagen
  - Dielektrika im elektrischen Feld (Vorlesung Physik II, HD)
- 4.2. Materialien
  - Kristallographische Voraussetzungen für besondere Effekte in Dielektrika (SVG, VL 3.2.) und ev. Wdh. der Gruppierung der Kristallklassen nach Eigenschaften
  - NaNO₂ ferro/para-elektrische Phasen (SVG, VL 3.2.)
  - ADP und KDP ferro/anti/para-elektrische Phasen (SVG, VL 3.2.)
  - Phasendiagramm PbZrO₃ - PbTiO₃ (SVG, VL 3.2.)
  - PbZrO₃: Doppelhysterese (SVG, VL 3.2.)
  - LiNbO₃: Polyederdarstellung bzw. mit Polarisation (VRML, VL 3.2.)
  - BaTiO₃: mit Polarisation (VRML, VL 3.2.)
- 4.3. Herstellung und Anwendungen
5. Magnetische Polarisation
- Vortrag AGP-Begleitvorlesung, WS09/10 (PDF)
- 5.1. Physikalische Grundlagen
  - Polarisation: Linearer, nichtlinearer und ferroischer Response (SVG, VL 1.3)
  - T-Abhängigkeit von Dia- und Paramagnetismus (SVG, VL 5.1)
  - Ferromagnetische Wechselwirkung: Ursachen (SVG, VL 5.3)
  - Antiferromagnetische Wechselwirkung: Ursache Superaustausch (SVG, VL 5.3)
  - T-Abhängigkeit von kollektivem Magnetismus (SVG, VL 5.1)
  - Hysteresekurve (SVG, VL 5.1)
  - Materie im magnetischen Feld (Vorlesung Physik II, HD)
- 5.2. Materialien
  - Magnetmaterialien: Übersicht (SVG, VL 5.3.)
  - Metalle und Legierungen
    - Magnetische Ordnung in Fe, Ni und Co (SVG, VL 5.1.)
    - Kristallstruktur von SmCo₅ (VRML, VL 1.3)
  - Übergangsmetalloxide
    - Spinstruktur von antiferromagnetischem MnO (VRML, VL 1.3)
  - Spinelle, Ferrite
    - Kristallstruktur (einfach) (VRML)
    - Kristallstruktur (verschiedene Darstellungen) (VRML)
    - Spinellstruktur (Projektion) (SVG)
    - Spinellstruktur (magnetische Struktur) (SVG)
  - Granate
    - Granat-Struktur (VRML)
    - Strukturchemie und Mineralogie von Granaten
  - Magnetoplumbite
- 5.3. Anwendung
  - Datenspeicherung
    - Magnetische Kraft-Karte einer Zip-Disk
    - Infos zu GMR aus Jülich (Grünberg), mit schönem Video
    - Perpendicular Recording bei Wikipedia
    - Heusler-Alloys von Wikipedia
    - CNI Jülich, schöne Broschüren
  - Motoren und Generatoren
  - Dauermagnete
6. Optische Eigenschaften (Frequenzabh. elektromagn. Response)
- 6.1. Laser (s. auch die Materialien zum Oberseminar Laser)
- 6.2. Nichtlineare Optik
- 6.3. Optische Speicher
- 6.4. Farbigkeit, Pigmente (s. auch die HTML-Seiten zu historischen Pigmenten; GDCh-Farbkurs Herbst 2001 und die Spezialvorlesung Anorganische Pigmente
7. Katalytische Eigenschaften
- Heterogenkatalysatoren, Zeolithe
  - Strukturen von Zeolithen
  - Schichtsilicat (T-O-T)
  - Keggin-Ion als Pillar
  - kleiner Kat
  - Fotos div. Kats (langsame chinesische Seite)
  - Pd-Kat-Körner auf SiO₂
  - Aufbau eines Auto-Kats
  - Foto Autokatalysator
  - Foto Eisen-Zeolith-Kat.
  - Ammoniak Reaktor
8. Bau- und Werkstoffe (ausgewählte Beispiele)
- Glas (s. auch die Materialien zum Oberseminar Glas)
- Mörtel (Zement) und Gips
- Hartstoffe
- Metalle, Stahl
- Synthetische Schmucksteine

Literatur

A. R. West: Solid State Chemistry and Its Applications, Kap. 13 - 19, Wiley 1984.
W. Göpel, Chr. Ziegler: Einführung in die Materialwissenschaften, Teubner 1996.
D. R. Askeland: Materialwissenschaften, Teil IV, Spektrum 1994.
W. Moore: Der feste Zustand, Vieweg 1977.

Vorlagen als gepackte PS-Dateien

1. Einleitung
- 1.1. Inhaltsübersicht, Literatur (PS, PDF)
- 1.2. Beispiele für Materialien und Anwendungsgebiete (PS, PDF)
- 1.3. Physikalische Prinzipien der Anwendung (PS, PDF)
2. Elektronische Transporteigenschaften
- 2.1. Niederdimensionale elektronische Leiter (PS, PDF)
- 2.2. Supraleiter I (PS, PDF)
- 2.3. Supraleiter II (PS, PDF)
- 2.4. Halbleiter I (Basics, Zustandsdichten) (PS, PDF)
- 2.5. Halbleiter II (Exkurs:Bandstrukturen) (PS, PDF)
- 2.6. Halbleiter III (Materialien) (PS, PDF)
- 2.7. Halbleiter IV (Herstellung) (PS, PDF)
- 2.8. Halbleiter V (MBE, Prinzip p-n-Übergang) (PS, PDF)
- 2.9. Halbleiter VI (Transistoren) (PS, PDF)
- 2.10. Halbleiter VII (Optoelektronik, Solarzellen) (PS, PDF)
3. Ionische Transporteigenschaften
- 3.1. Ionenleiter I (PS, PDF)
- 3.2. Ionenleiter II (PS, PDF)
- 3.3. Ionenleiter III (PS, PDF)
4. Elektrische Polarisation (vgl. Kap. 3 der Vorlesung Festkörperchemie)
5. Magnetische Polarisation
- 5.1. Magnetismus I (PS, PDF)
- 5.2. Magnetismus II (PS, PDF)

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