Einführung in die Kristallographie
Introduction to Crystallography

Dieses Modul gibt eine Einführung in die Beschreibung und die Eigenschaften kristalliner Festkörper. Zunächst werden die geometrischen und mathematischen Grundlagen zur Beschreibung von Kristallen eingeführt, beispielsweise die Darstellung und Anwendung von Symmetrieeigenschaften und Raumgruppen. Anschließend werden auf der Grundlage des atomaren Aufbaus von Kristallen deren Kristallchemie und –struktur diskutiert. Außerdem werden auch typische Abweichungen vom idealen Kristallbau diskutiert, z.B. verschiedene Arten von Defekten und Fehlordnungen sowie Gefügeänderungen an Phasenübergängen. Experimentelle Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der Realstruktur von Kristallen, beispielsweise Röntgen- und Neutronenbeugung, stellen ein wesentliches Werkzeug in der Festkörperphysik und –Chemie dar. Sie werden daher in diesem Modul ausführlich behandelt. Dabei werden sowohl die Vorzüge und Grenzen der unterschiedlichen Methoden für verschiedene Anwendungen betrachtet als auch die sich daraus ergebenden Anforderungen an die Proben. Abschliessend wird die Verknüpfung makroskopischer physikalischer Eigenschaften und kristallographischer Struktur bzw. Symmetrieeigenschaften über Tensorrechnung dargestellt.

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

1. die grundlegenden strukturellen Eigenschaften verschiedener Kristallstrukturen anhand der Raumgruppen abzulesen und zu erklären;
2. mögliche Methoden zur Herstellung von kristallinen Festkörpern und deren Auswirkung auf die Realstruktur zu benennen;
3. die physikalischen Aspekte bestimmter Untersuchungsmethoden, insbesondere die physikalische Wechselwirkung zwischen Messobjekt und Sonde, zu verstehen und zu erklären
4. die technische Realisierung verschiedener Untersuchungsmethoden wiederzugeben und zu erklären; 
5. in Abhängigkeit von der kristallographischen Fragestellung eine geeignete Untersuchungsmethode zur Strukturbestimmung auszuwählen und zu skizzieren; 
6. die erforderlichen Eigenschaften einer Probe in Einklang mit der gewählten Methode zu bringen;
7. die grundlegende Kopplung zwischen gegebener Kristallsymmetrie und bestimmten physikalischen Eigenschaften zu erläutern.

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung, welche eine Beamerpräsentation beinhaltet, in der sowohl PowerPoint-Folien zur grafischen Veranschaulichung als auch Textanschrieb mit digitaler Tinte verwendet werden. Diese Mischung erlaubt einerseits eine schnellere Übersicht von Sachverhalten und Experimenten und andererseits eine Anpassung des Vorlesungstempos an die Geschwindigkeit der Studierenden. Ausgewählte kleinere „Hausaufgaben“ mit direktem vertiefendem Bezug zum Vorlesungsstoff werden im Rahmen des folgenden Vorlesungstermins besprochen. Der Zeitrahmen der Vorlesung erlaubt viel Interaktion und die Beantwortung von Fragen während der Präsentationen. Die entstehenden wissenschaftlichen Diskussionen beziehen die Studierenden aktiv ein.

Das Zusammenspiel aus Folien-Präsentation für Übersicht und Details sowie Textanschrieb und Diskussionszeit für die solide Grundlagenbildung sowie eine optionale Laborführung für den direkten Praxisbezug erlaubt es den Studierenden, die oben formulierten konkreten Kompetenzen in Bezug auf die Kristallographie und kristallographische Methoden zur Strukturbestimmung.

Vorlesungsskript mit Folien und Textanschrieb, begleitende Internetseite, ergänzende Literatur

1. Borchardt-Ott, W: Kristallographie: Eine Einführung für Studierende der Naturwissenschaften (2018)
2. Kleber, W. et al.: Einführung in die Kristallographie (2010)
3. Massa, W.: Kristallstrukturbestimmng (2009)

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 Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Benennen Sie verschiedene Raumgruppen und deren geometrische Eigenschaften.
• Diskutieren Sie die physikalischen Mechanismen, die dem Konzept der Diffraktometrie zu Grunde liegen.
• Erläutern Sie die wesentlichen Unterschiede von pulverförmigen und einkristallinen Proben bei der Wahl geeigneter Untersuchungsmethoden.
• Skizzieren Sie die konkrete technische Umsetzung eines in der Vorlesung behandelten Verfahrens zur Strukturbestimmung mittels Diffraktion.