Festkörperphysik

Die Festkörperphysik (häufig abgekürzt: FKP) befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand. Sie gehört thematisch zur Physik der kondensierten Materie und umgekehrt. Von besonderer Bedeutung sind dabei kristalline Festkörper. Das sind solche, die einen 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 Kristallgitters 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.

Erscheinungsformen von Festkörpern

Kristalline Festkörper 

Die Physik kristalliner Festkörper (Kristallphysik) befasst sich mit Festkörpern, die einen periodischen Aufbau aufweisen.
 Die Kristallstruktur repräsentiert die statische periodische Ordnung im kristallinen Festkörper.

 Die Gitterschwingungen beschreiben die Dynamik in der kristallinen Ordnung. Ihre Beschreibung verwendet häufig das Modell der Quasiteilchen. Bei Gitteranregungen werden diese Phononen 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 magnetischen Momente im Festkörper (Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus, Spindichtewellen, Magnetooptik etc.).
 Die magnetischen Anregungen beschreiben die Dynamik der magnetischen Ordnung. Die zugehörigen Quasiteilchen heißen Magnonen.

Teilkristalline Substanz 
Eine teilkristalline Substanz, die zwar eine gewisse Nahordnung im Bereich von 4,5–6 Å aufweist, im Gegensatz zu einem Kristall aber keine ausgeprägte Fernordnung, ist ein Parakristall.

Amorphe Festkörper 

Die Physik amorpher Festkörper befasst sich mit Festkörpern, die keine Fernordnung aufweisen.
 Glas
 Unterkühlte Schmelze

Grenzflächenphysik 
Die Grenzflächenphysik befasst sich mit den Besonderheiten an Grenzflächen, die Oberflächenphysik ist ein Spezialfall der Grenzflächenphysik bei Grenzflächen 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.

Ordnungszustände in Festkörpern 

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.

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 Dresden
 Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik
 Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
 Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik
 Sektion Kondensierte Materie (SKM) der DPG
 Walter-Schottky-Institut der 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 DPG
 Oliver E. Buckley Condensed Matter Prize, verliehen von der APS

Der Festkörperphysik können insgesamt eine Vielzahl an Nobelpreisen zugeordnet werden.

Moderne Forschungsthemen 
 Graphen
 „Heavy-Fermion“-Systeme
 Hochtemperatursupraleiter
 Quasikristalle
 Silicen
 Skyrmionen
 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, Computerchips, Halbleitertechnik, Solarzellen, Batterien, Beleuchtung, Metallen oder Isolatoren von Bedeutung. Zu den wichtigen Methoden zählen:

Die Röntgenbeugung nutzt den Effekt der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallgittern zur Untersuchung der Symmetrieeigenschaften von Festkörpern, die in 230 verschiedenen sogenannten Raumgruppen 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 Neutronen eingesetzt, die meist in 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 magnetische Ordnungen in Kristallen untersuchen. Unter Hinzuziehung des Spins erweitern sich die magnetischen Raumgruppen auf 1651.

Mit Magnetometern werden insbesondere die magnetischen Eigenschaften untersucht. Eine der häufigen Methoden ist das SQUID in Verbindung mit Kryostaten, um die verschiedenen Arten des Magnetismus zu bestimmen und die magnetischen Phasendiagramme zu ermitteln.

Mit Tracerdiffusion wird die Diffusion von Atomen und Ionen in Kristallen untersucht. Dies ist wichtig bei Dotierungsprozessen oder für die Temperaturstabilität von Materialien, z. B. bei der Festoxidbrennstoffzelle.

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

Literatur

Grundlagen

Weiterführend

Klassiker 

 
 Deutsche Ausgabe:

Einzelnachweise 

 
Nanotechnologie
Physikalisches Fachgebiet