Materialphysik auf atomarer Skala 1
Materials Physics on an Atomistic Scale 1

Dieses Modul beschäftigt sich mit der Anordnung und der Bewegung von Atomen in Festkörpern. Da diese Aspekte die makroskopischen Eigenschaften von Materie zu einem großen Teil bestimmen, ist ihr mikroskopisches Verständnis grundlegend für beispielsweise das Optimieren von Materialen für technologische Anwendungen.

Es werden die folgenden Themen der statischen Anordnung von Atomen in Festkörpern detailliert behandelt:

• Symmetrien - Punktgruppen, Raumgruppen, Bravaisgitter, Positionen innerhalb der Elementarzelle
• Kristallstrukturen - elementare Systeme und Verbindungen
• Punktdefekte
• Ordnungsaspekte - Nah- und Fernordnung
• Statistik und Thermodynamik - fundamentale Modelle zur Vorhersage observabler Größen aus mikroskopischen Parametern
• Phasen und Phasendiagramme

Für alle oben angeführten Punkte wird sowohl eine generelle Beschreibung der relevanten Konzepte als auch ihre Motivierung über mikroskopische Modelle gegeben werden, aber auch eine Diskussion ihrer Realisierungen in typischen Systemen.

Das Modul wird im Folgesemester mit dem Modul PH2219 ergänzt.

Nach dem erfolgreichen Absolvieren des Moduls sind die Studierenden in der Lage:

• die wesentlichen Kristallstrukturen aufzulisten und im Hinblick auf ihre Symmetrien zu analysieren
• zu verstehen und vorherzusagen, welche Struktur ein gegebenes System zeigen wird
• die Konzepte zur Beschreibung von Punktdefekten anzuwenden und ihr Verhalten nachzuvollziehen
• einfache statistische und thermodynamische Modelle anzuwenden
• Phasendiagramme zu lesen und thermodynamische Verhältnisse abzuleiten, sowie andererseits die aus gegebenen mikrokopischen Parametern resultierenden Phasendiagramme zu bestimmen
• typische Werte der physikalischen Größen relevant für die atomare Skala, wie z.B. Abstände und Energien, zu reproduzieren und die Konsequenzen zu verstehen

Generell soll dieses Modul die Voraussetzungen liefern, die Ergebnisse experimenteller oder theoretischer Untersuchungen relevanter Aspekte in den aktuellen Stand der Wissenschaft einordnen zu können, und damit auf eigenständige Forschung vorbereiten.

Keine Vorbedingungen, die über die Zulassungsanforderungen für das Masterstudium hinausgehen

Das Modul besteht aus einer Vorlesung, in der die Lerninhalte mittels Tafelanschrift und mündlicher Vortrag präsentiert werden, wobei die behandelten Phänomene in einer detaillierten Diskussion erläutert werden. Aktive Beiträge der Studierenden (Verständnisfragen) sind hierbei erwünscht. Die Nachbereitung erfolgt im Selbststudium mithilfe des zur Verfügung gestellten Skripts.

Bzgl. der aktuellen Coronavirus-Pandemie: diese Vorlesung wird, solange es die Vorgaben erlauben, als Präsenzveranstaltung durchgeführt werden.

Vorlesung mit Tafelanschrift. Ein Vorlesungsskript wird zur Verfügung gestellt (umreißt die wesentlichen Inhalte, ersetzt aber nicht die in der Vorlesung gebotene tiefergehende Diskussion).

Grundlagen der Festkörperphysik:

• N.W. Ashcroft & N.D. Mermin: Solid State Physics, De Gruyter Oldenbourg, (2012)
• H. Ibach, H. Lüth: Festkörperphysik, Springer-Verlag, (2009)
• Ch. Kittel: Introduction to Solid State Physics, Wiley, (2018)
• R. Gross & A. Marx: Festkörperphysik, De Gruyter, (2018)
• U. Rössler: Solid State Theory: An Introduction, Springer-Verlag, (2009)

Statistische Physik:

• F. Schwabl: Statistische Mechanik, Springer-Verlag, (2006)

klassische Metallphysik:

• G. Gottstein: Physikalische Grundlagen der Metallkunde, Springer-Verlag, (2007)
• P. Haasen: Physikalische Metallkunde, Springer-Verlag, (2013)

klassische Festkörperchemie:

• J. Maier: Festkörper - Fehler und Funktion, Springer-Verlag, (2000)

atomare Aspekte der Festkörper:

• M.T. Dove: Structure and Dynamics: An Atomic View of Materials, Oxford University Press, (2003)

spezielle Aspekte:

• W. Borchardt-Ott & H. Sowa: Kristallographie. Eine Einführung für Naturwissenschaftler, Springer Spektrum, (2013)
• R.J.D. Tilley: Defects in Solids, John Wiley & Sons, (2008)

Es findet eine mündliche Prüfung von 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Erläuterungen der relevanten Konzepte sowie typischer Realisierungen in Festkörpern überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Skizzierung und Diskussion fundamentaler Kristallstrukturen, deren Symmetrien, prototypischer Vertreter
• Temperaturabhängigkeit der Konzentration von Punktdefekten, Erläuterung der Konzepte der Formierungsenergie und -entropie
• Diskussion von Nahordnung, Definition der Warren-Cowley-Parameter
• Erläutern von Phasendiagrammen

Während der Prüfung sind keine Hilfsmittel erlaubt.