Vorlesung: Festkörperchemie 2

Einführung

• Dozent: Prof. Dr. Dirk Jorent, Professor für anorganische Festkörperchemie
• Titel: Chemische Bindung im Festkörper, elektronische Eigenschaften und Magnetismus
• Online-Veranstaltung: 13 Vorlesungsvideos (60–70 Min.) + Übung (20–30 Min.) als Socrative Quizzes
• Material: Videos, Quizzes, sonstiges Vorlesungsmaterial (PDFs) über Moodle-Server
• Ziel: Rückmeldungen durch Quizzes, besonders wichtig „was angekommen ist“

Themenübersicht

Chemische Bindung

• Unterschiede zwischen chemischer Bindung in Molekülen und Festkörpern
• Wichtige Konzepte: Elektronenpositionen, Bindungen, spezielle Phänomene (Peierls-Verzerrung, Ladungsdichtewellen)

Elektronische Strukturen

• Bandstrukturen und ihre Berechnung
• Beispiele für Anwendungen und Grenzen

Materialien

• Metalle und Halbleiter: chemische Bindungstheorien
• Hochkorrelierte Materialien

Magnetismus

• Paramagnetismus und das Curie-Gesetz
• Magnetismus von Metallen (Pauli-Paramagnetismus)
• Kooperativer Magnetismus (ferro-, antiferro-, und ferrimagnetische Ordnungsphänomene)
• Magnetoresistive Effekte (Giant und Colossal Magnetoresistance Effekt)

Supraleiter

• Verschiedene Supraleitergruppen
• Erläuterung des supraleitenden Zustands
• Grundzüge der BCS-Theorie

Stoffchemie

• Interkalationsverbindungen (Übergangsmetall, Chalkogenide, Misfit-Verbindungen, Batteriematerialien)

Literaturhinweise

• Festkörperchemie: Müller, „Anorganische Strukturchemie“; Jorent & Pökin, „Intermetallics“
• Festkörperphysik: Kittel, „Einführung in die Festkörperphysik“; Gross, „Festkörperphysik“
• Elektronische Eigenschaften: Hoffmann, „Die Begegnung von Chemie und Physik im Festkörper“; Dronzkowski, „Computational Chemistry of Solid Materials“
• Magnetismus: Lüthen, „Magnetochemie“; Coey, „Magnetism and Magnetic Materials“
• Supraleitung: Kleiner & Buckel, „Superconductivity and Introduction“

Einleitung – Warum sind elektronische Eigenschaften von Festkörpern spannend?

Historische Beispiele und technologische Bedeutung:

• Schaffung des ersten funktionierenden Transistors (1940er/1950er Jahre)
• Nobelpreisträger: John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley
• Bedeutung für Telefontechnologie und Entwicklung der Halbleitertechnik

Weitere Nobelpreise im Kontext der elektronischen Eigenschaften des Festkörpers:

• 1972: Entwicklung der BCS-Theorie der Supraleitung (J. Bardeen, L. Cooper, J. Schrieffer)
• 1987: Hochtemperatur-Supraleiter (Alex Müller, Georg Bednorz)
• 2007: Entdeckung der Giant Magnetoresistance (Albert Fert, Peter Grünberg)
• 2014: Entwicklung der blauen Leuchtdiode (Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura)
• 2019: Entwicklung des Lithium-Ionen-Akkus (John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino)

Vergleich chemischer Bindung in Molekülen und Festkörpern

• Stickstoff-Kristallstruktur: Unterschiede zwischen molekularem und polymerem Stickstoff
• Molekülorbitale vs. Kristallorbitale
• Elektronen im Festkörper sind über den gesamten Kristall delokalisiert

Bloch’sches Theorem und kristalline Wellenfunktionen:

• Felix Bloch hat die Lösung für die freie Bewegung der Elektronen in Metallen entdeckt
• Bloch’sches Theorem: Wellenfunktion Ψ am Ort (x + a) = e^(ika)*Ψ(x)
• Reziproker Raum: Einheit der Phasenfaktoren
• Veranschaulichung des blochschen Theorems durch verschiedene K-Werte:
  • K = 0: Bindend, alle Orbitale in Phase
  • K = π/a: Antibindend, benachbarte Orbitale gegenphasig
  • K-Werte zwischen 0 und π/a: Wellenfunktion wird komplex

Eigenschaften und Anwendungen des reziproken Raums

• Reziproker Raum als Beschreibung der Wellenfunktion im Impulsraum
• Konstruktion der Wigner-Seitz-Zelle als Basis der Brillouin-Zone
• Bedeutung des reziproken Raums für eindeutige K-Vektoren

Übungen und Abschluss

• Quizzes über Socrative (freiwillig, anonym)
• Ziel: Vertiefung und Rückmeldung des behandelten Stoffes

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Weitere detaillierte Inhalte folgen in den folgenden Vorlesungen.