Einführung in die Physik der kondensierten Materie
Introduction to Condensed Matter Physics

Bindungstypen und -kräfte

• Periodensystem
• Kovalente und metallische Bindung
• Ionische Bindung und van der Waals Bindung
• Wasserstoffbrücken und andere supramolekulare Bindungstypen

Strukturen und Bestimmungsmethoden

• Amorphe und kristalline Strukturen – Grundbegriffe und Definitionen
• Beispiele für Kristallstrukturen im Realraum
• Reziprokes Gitter & Beugung
• Defekte

Gitterdynamik

• Klassische Theorie der Gitterdynamik
• Quantisierung der Gitterschwingungen
• Zustandsdichte im Phononenspektrum
• Elastizitätslehre im Kontinuum

Thermische Eigenschaften

• Spezifische Wärme
• Anharmonische Effekte: Thermische Ausdehnung
• Wärmeleitfähigkeit
• Thermoelektrische Effekte

Elektronen im Festkörper

• Modell des freien Elektronengases
• Bloch-Elektronen und Energiebänder
• Zustandsdichte von Metallen und Isolatoren
• Brillouin-Zonen und Fermi-Flächen

Transport von Ladungsträgern

• Semiklassisches Modell der Dynamik von Elektronen
• Bewegung von Elektronen im Kristallgitter
• Boltzmann-Transportgleichung

Halbleiter

• Intrinsische und dotierte Halbleiter
• Inhomogene Halbleiter
• Wichtige Bauelemente

Magnetismus

• Dia- und Paramagnetismus
• Ferromagnetische Materialien
• Ferri- und Antiferromagnetismus

Supraleitung

• Grundphänomene
• Grundzuege der mikroskopischen Beschreibung
• Magnetische Eigenschaften

Dielektrische Eigenschaften

• Makroskopische und mikroskopische Beschreibung
• Arten der Polarisation
• Dielektrische Eigenschaften von Metallen und Halbleitern

Ausblick

• Grenzflächen, Nanostrukturen & niederdimensionale Systeme
• Organische Materialien

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul ist der/die Studierende in der Lage:

1. die unterschiedlichen Bindungsarten von kondensierter Materie zu kennen und konkreten Stoffen zuordnen zu können.
2. die physikalischen Grundlagen der Strukturanalyse und die zugehörigen Experimente wiederzugeben.
3. die Grundlagen der Gitterdynamik und ihre Bedeutung für Festkörpereigenschaften (insbesondere thermische Eigenschaften) zu verstehen.
4. das Verhalten von Elektronen in kristallinen Strukturen zu verstehen und auf den Transport von Ladungsträgern anzuwenden.
5. grundlegende Eigenschaften von Halbleitern, Supraleitern und magnetischen Materialien zu kennen und zu erklären.
6. die wichtigsten dielektrischen Eigenschaften von Festkörpern wiederzugeben.

PH0001, PH0002, PH0003, PH0004, PH0005, PH0006, PH0007

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lehrinhalte im Vortrag präsentiert und durch anschauliche Beispiele sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert. Stetige Querverweise auf die bereits früher vermittelten Grundlagen lassen die universellen Konzepte der Physik mehr und mehr erkennbar werden.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Zusaetzlich wird eine offene Fragestunde (online) zu den Themen die in den Üebungen oder in der Vorlesung behandelt werden angeboten

Tafelanschrieb bzw. Präsentation

Begleitende Informationen im Internet

• Siegfried Hunklinger: Festkörperphysik, Oldenbourg Verlag München
• Groß, Marx: Festkörperphysik, De Gruyter Verlag
• Kittel: Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg Verlag
• Ashcroft, Mermin: Festkörperphysik, Oldenbourg
• Kopitzki, Herzog: Einführung in die Festkörperphysik, Vieweg+Teubner
• Ibach, Lüth: Festkörperphysik. Einführung in die Grundlagen, Springer-Verlag
• Rosenberg, Harold Max: The Solid State. Second Edition, Oxford Physics Series

Es findet eine schriftliche Klausur von 90 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Berechnung und Diskussion der Bindungsenergie eines einfachen Kristalls
• Berechnung und Diskussion des reziproken Gitters und des Strukturfaktors eines einfachen Kristalls
• Berechnung und Diskussion der phononischen Wärmekapazität eines einfachen Kristalls
• Berechnung und Diskussion der elektronischen Zustände in einem einfachen Kristalls
• Berechnung und Diskussion der Ladungsträgerdichte und der Fermi-Energie eines einfachen Halbleiters

Während der Prüfung sind folgende Hilfsmittel zugelassen:

• doppelseitig handgeschriebenes Formelblatt
• Nicht programmierbarer Taschenrechner

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

Auf die Note einer bestandenen Modulprüfung in der Prüfungsperiode direkt im Anschluss an die Vorlesung (nicht auf die Wiederholungsprüfung) wird ein Bonus (eine Zwischennotenstufe "0,3" besser) gewährt (4,3 wird nicht auf 4,0 aufgewertet), wenn die/der Studierende die Mid-Term-Leistung bestanden hat, diese besteht aus

• dem bestehen der freiwilligen Zwischenklausur während des Semesters
• mindestens einmal erfolgreich in den Übungen vorrechnen