Materialphysik

Vorbereitung Prüfung

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M. H.
Diese Lernkarten decken universitäre Konzepte der Materialphysik ab und behandeln Themen wie Atomgrößen, Phasenübergänge und Elektronenphasen. Sie erklären Begriffe wie Masse- und Atomprozent, Zustandsdiagramme und die Charakterisierung verschiedener Phasen. Die Karteikarten sind besonders nützlich für Studierende der Materialwissenschaften, da sie komplexe physikalische Zusammenhänge verständlich darstellen und praktische Anwendungen aufzeigen.
Karten
73
Lernende
1
Sprache
Deutsch
Kategorie
Naturkunde
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
25.02.2014 / 26.02.2014

Lernkarten

Schritte zum Einbau von Bausteinen in das Kristallgitter

1. Transport der BS zur Phasengrenze

2. Adsorption auf einer atomar glatten Terasse

3. Transport zur Stufe (Oberflächediff)

4. Anlagerung an der Stufe

5. Transport entlang der Stufe zur HKL

6. Einbau in die Stufe

chem. Potential

auch partielle molare Freie Enthalpie

- intensive thermody. Größe

dG/dni =µi  µi chem. Potential der Komp. i

Bedeutung;: Wenn zu einem System aus n Atomen eine Anzahl Atome(dni) der Komp. i hinzugefügt werden, ändert sich die freie Enthalpie G proportional zu dni um µi

G= Summe µi*ni

Wahrscheinlichkeit und Entropie

S=k* ln(W) k...Bolzmannkonst, w ..anzahl der Realisierungsmöglichkeiten (mirkozustände), S... Entropie

w ges = Summe (n über k)  n... bsp. Leerstellen, k... Anzahl vorhandener Gitterplätze

→die mittleren Zustände haben die meisten Mikrozustände

→ Wahrscheinlichkeit für mittlere Zustände am höchsten p = w(k)/w(ges)→ höchste Entropie

 

Probleme der klassischen theorie des Ladungstransportes

- spezifische Wärme Cp

Energiebetrag einen einatomigen Gases 3/2Kb, Cp ist nach Messung um Gößenordnung 10^3 zu klein

Grundaussage der Quantenmechanik

- es existieren direkte Energiezustände

- Übergang von einem in einem anderen Zustand nur wenn genügend Energie vorhanden ist und wenn Platz frei ist

- Welle-Teilchen- Dualismus

- de Broglie

Was sagt de Broglie aus?

jedem Teilchen wird eine Welle zugeordnet

Wellenlänge lambda = h/p   h... Planesches Wirkungsquantum, p...Impuls

p= h quergestrichen*k     k... Wellenzahlfaktor  h quergestrichen... h/2pi

 

Energie betrachtung für Reale Lösungen

delta S(M) ist ideal, delta H(M) ungleich 0

deltaG(M) = delta H(M) -T*deltaS(M) ist rund deltaU(M)-T*deltaS(M)

deltaU(M) = U2-U1,  U1→zwei reine EK, U2→Mischkristall

U2= 0,5*n*N*(xa*Paa*epsilon aa + xa*Pab*epsilon ab + xb*Pba*epsilon ba+xb*Pbb*epsilon bb)

Paa= Wahrscheinlichkeit dafür ein A-Nachbarn bei einem A-Atom zu finden

epsilon... Wechselwirkungsenergie

es ergibt sich nach Umformung:

delta U(M) =n*N*(xa * xb*epsilon)

Vertauschungsenergie epsilon

epsilon = epsilon ab - 0,5*(epsilon aa - epsilon bb)

epsilon >0 Energieverlust → Tendenz zur Entmischung

epsilon <0 Energiegewinn→ Tendenz zur Legierungsbildung

epsilon =0 ideale Lösung

Formel für die freie Enthalphie bei Mischungen

delta G(M) = delta U(M) - T*delta S(M)

= n*N*xa*xb*epsilon + N*k*T(xa*ln(xa)+xb*ln(xb))

Wann tritt spinadale Entmischung ein?

- wenn beide Elemente isomorph sind

- epsilon > 0, positives deltaH(M)

- xb zwischen den Wendepkt. von G(x) liegt → Endzustand entmischtes System ist x alpha uns xbetha

Weg der Entmischung

- Keimbilung und Keimwachstum

- spontane Entmischung→spinodale entmischung

 -  a)xb zw. Minimum und WP ⇒ x1, lokale Entmischung günstiger als die G(x) Kurve für Mischkristall

lokale Entmischung instabil löst sich wieder auf

- b) xb zw. den Wendepukten ⇒ x2, lokale Entmischung führt zu einem geringeren G(x), da die Sehne unterhalb liegt → Konzetrationsfluktuation verstärkt sich → Bergausdiffusion

die Wellenfunktion

-groß phi (x) Wahrscheinlichkeit ein Elektron bei x anzutreffen

- muss Lösung der Schrödingergleichung sein:

Hdach*groß Phi(x) = E * groß Phi(x)

Hdach... Hamilton operator

E...Energie es e-  bzw Energieeigenwert

Pauliprinzip

2 Elektronen dürfen niemals in allen  Quantenzuständen gleich sein⇒ Spin muss entgegengesetzt sein ms = +- 1/2

 

Fermienergie

Ef =( h quergestrichen)² / (2m) * (n*pi/L)²  L...Ausdehnung

Impuls, Ekin

p = m*v,   Ekin = p²/(2m)

freies Elektronengas in 3D

Ek =  (h quergestrichen)²/(2m)*k²

Besetzungsgrenze für Elektronen

Ef= hquergestrichen²*kf2/(2m)     kf...Fermi-Wellenzahl

E<gleich Ef alle besetzt

E> Ef alle frei

Fermi- Dirac- Verteilung

Wahrscheinlichkeit, dass Zustand der Energie E des idealen (freien) Elektronengases besetzt ist (im therm. dyn. Gleichgewicht)

f(E) = 1/(exp ((E-Ef)/(kb*T))+1)

 

Ef = einige eV  1eV = 10000K  ⇒ Ef = einige 10000K

bei RT: T=300K, Kb*T rund 1/30eV

Fermitemperatur

Tf = Ef/kb

 

spez. Wärme Elektronengas

C el rund N*kb*T/Tf

Schrödingergleichung für freies Elektronengas

.....

Leitfähigkeit im Festkörper

Ladungstransprot durch Fermikugel

- Zeitpunkt t=0: Fermikugel schließtim k-Raum die besetzten Zustände des Elektronengasesim Grundzustand ein. der Gesamtimpuls =0  da für jeden besetzten Zustand k ein unbesetzter Zustand -k vorhanden ist.

p=hquergestrichen*k =m*v=0

- für t>0: unter dem Einfluss einer konst. Kraft (elek. Strom, mehr e- wellen nach recht als nach links)

k-Vektor aller Zustände nimmt um deltak = F*t/hquergestrichen zu, → Verschiebung der Fermikugel um deltak auch   F=q*E bzw. -e*E

deltak = - e*E*tau/hquergestrichen

Energie des Systems ist erhöht  tau...mittlere Stoßzeit

 

Leitfähigkeit im Festkörper

Streuprozesse von Elektronenwellen an Rumpfatomen

- keine Streuung am streng periodischen Gitter

- nur an Störunge: Gitterfehler, Fremdatome→zeitunabhänig

Gitterschwingungen T- abhänig

Energielücken

durch Braggreflexion entstehen stehende Wellen am rezibroken Gitter

→ Lösung: zu gleichen Teilen nach rechts und nach links laufende Wellen

exp(+- i phi/a x) → zwei verschiedene stehende Wellen:

großPhI+ = 2cos(pi/a x) → Anhäufungen von e- an Ionenrümpfen →Erniedrigung Energie

großPhi- = 2i sin(pi/a x) → Anhäufungen von e- zw Ionenrümpfen →Erhöhung Energie

 

es entsteht eine Energielücke (verbotene Zone) Eg = E(-) - E(+)

weitere Lücken bei n*pi/a

Hume-Rothery-Regeln

- Atomradien: rB weicht mehr als 15% von rA ab

alpha Phase wird bei geringen zusätzen von B instabil

- Elektronennegativität EN: B wesentlich stärker negativ als A exotherme Bindungswärme = - (ENa-Enb)²

- Valenzelektronenkonzentration VEL oder e/a

e/a = za*xa + zb*xb   z... Gruppennr. im PSE Fe, Co, Ni, Pd, Pt, =0; Cu, Ag,Au = 1; Zn = 2

Merkmale für vollständige Mischbarkeit

- gleiche Kristallstruktur

- ähnliche Elektronenstrucktur

- delta r < 15%

- delta EN gering

Unterschied intermetallische Phase und intermetallische Verbindung

IP→ wenn Phasenbreite, konzentrationsschwankungen mgl

IV→ Strichphase, stöchiomet. Verbindung

Charakterisierung Lavesphasen, Zintl- Phasen, Hume-Rothery.Phasen

delta r bestimmt→Löslichkeitsgrenze/Mischungslücke

Laves- Phasen bei rA/rB = 1,23

Einlagerungsmk

delta EN bestimmt→ Zintl- Phasen

elektropositives Metall (Alkalmetall) + elek.neg. Element (Si Ge)

ionischer Bindungsanteil, scharf stöchiometrisch

Ca2Si, CaS, CaSi2

e/a bestimmt→ Hume- Rothery-Phasen/ Elektronenphasen

keine bis mittlere Phasenbreite

Cu-Sn, Cu-Zn

 

Elektronenphasen

- Elemente: Cu, Ag, Au mit Si, Ge, Zn, Sn

- zb. CuZn

 besitzten Ordnungsübergänge: z.B. betha CuZn- Mk 50/50, betha' Cu in der Mitte Zn auf Eckplätzen

 

 

Vorraussetzungen Elektronenphasen

Atomgrößenfaktor delta = (rB- rA)*rA  muss klein sein

 daraus folgt Ausdehnung der Phasengebiete im wesentlichen durch e/a bestimmt

Auftragung Stabilitätsgrenze über e/a

Alpha stabil bis 1,4 erbibt Cu3 -Zn2

betha stabil bis 1,5 ergibt Cu- Zn

gamma stabil bis 1,62  Cu5Zn8

etha bis 1,75 CuZn3

so genannte "magische" e/a Verhältnisse

Atomgrößen bedingte Phasen

15%- Grenze für Löslichkeit

- freie Verzerrungsenthalpie pro Atom: Es = Ga*großOmegaa*delta²

Ga... Schubmodul, großOmegaa... mittleres Volumen pro Atom, delta... Mischungsfaktor

- Laves- Phasen AB2 rA/rB=1,225

Packungsdominiert

sehr dichte Phasen mgl MgCu2, MgNi2MgZn2

- Einlagerungsphasen Metall- NM rE/r < 0,6  Elemente H,B, N, C

in Metallgitter eingelagert, Tetraeder-, Oktaederlücken

Zustandsdiagramm grundlegende Begriffe: Komponente, Phase, Phasenregel

Komponente K:verschiedene chem. Elemente des systems

Phase: physikalisch einheitliche Substanz, Konzentrazion muss nicht einheitlich sein

Phasenregel: F=K-P + 2

F...Freiheitsgrad bei

Masse und Atomprozent

Masseprozent wA: mA/m *100%  m...Gesamtmasse

mA=nA*MA

Atomprozent xA: nA/n*100%   n...Gesamtanzahl

von xA auf wA : wA= (xA*MA)/(xA*MA+xB*MB)

von wA auf xA : xA= (wA/MA)/(wA/MA + wB/MB)

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