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Vorlesung: Festkörperchemie

Die folgenden Web-Seiten werden mit der Vorlesung im SS 2020 neu aufgebaut und endlich mal ergänzt. Bis dahin gibt es noch den alten Stand von 2003.

Es bestehen einige Überschneidungen mit anderen Vorlesungen, die im Volltext vorhanden sind und auf die jeweils verwiesen wird, wie z.B. mit Strukturchemie, Strukturchemie der Oxide, Intermetallische Phasen oder Silicatchemie. Links ST-DB gehen auf die Strukturtypendatenbank.
Ganz besonders wichtig (Stichwort: Struktur-Eigenschafts-Beziehung) ist der Bezug zur Strukturchemie und natürlich gibt es auch Überschneidungen mit der alten Diplom-Vorlesung Methoden der Anorganischen Chemie.
Einige als Präsentationen ausgearbeitete Teilkapitel (z.B. Kristallzüchtung, Magnetmaterialien, Dielektrika) sind auf der Webseite zum AGP/AC-III verlinkt. Bzgl. elektronischer Eigenschaften von Festkörpern lohnt auch ein Blick in die Unterlagen zum Quantenchemie-Kurs, vor allem Kapitel V. Eine Präsentation zu Phasendiagrammen und thermische Analyse gibt es bei der Vorlesung Methoden der Festkörperchemie.

Caroline Röhr

Ziel der Vorlesung: Anorganische Feststoffe werden (nicht nur in neuere Zeit, d.h. auch vor der 'Erfindung' der Materialwissenschaften) vielfach verwendet. Das Verstehen der hierfür jeweils relevanten physikalischen und chemischen Eigenschaften (Kap. 3) aus den realen/idealen atomaren Strukturen der Festkörper (Kap. 1) ist wesentliches Ziel der Vorlesung. Von uns ChemikerInnen wird darüberhinaus besonders auch die Kenntnis der gezielten Synthesen dieser Stoffe (in der gewünschten Form) bzw. deren Optimierung erwartet (Kap. 2). (Bzgl. der strukturellen Charakterisierung von Festkörpern siehe die Methoden-Vorlesung, die für die Präparation wichtigen Methoden der thermischen Charakterisierung sind dagegen hier enthalten. Auf 'Nicht-Bulk'-Eigenschaften kann aus Zeitgründen leider nicht eingegangen werden.).

Gliederung

Die Abbildung 0. zeigt schematisch die Bedeutung und die Themen der (anorganischen) Festkörperchemie und ist zugleich der 'Leitfaden' für die Gliederung der Vorlesungsinhalte in drei große Kapitel.

Abb. 0. Gliederung ‣ SVG

Eine zentrale Rolle zwischen der Bindungstheorie (Kap. 1), der präparativen Festkörperchemie (Kap. 2) und den Anwendungen als Materialien (Kap. 3) spielt die (atomare und elektronische) Struktur (idealer und realer) Festkörper (d.h. Kap. 1 bis 3). Wie in den Zielen bereits dargelegt, ist die Aufgabe dieses Teilgebietes der anorganischen Chemie die Synthese von Materialien mit bestimmten Eigenschaften. Ein Verständnis und damit auch die Optimierung dieser Eigenschaften setzt voraus, daß der Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaft möglichst umfassend erforscht, charakterisiert und (ggf. auch unter Hinzuziehen theoretischer Methoden) verstanden werden sollte.

Inhalt

Bau von Festkörpern: Atomare und elektronische Strukturen
- 1.1. Idealkristalle (1.1.1. bis 1.1.4. sind Links zur Vorlesung Anorganische Strukturchemie)
- 1.2. Realkristall
- 1.3. Amorphe Festkörper
  - 1.3.1. Gläser
  - 1.3.2. Festkörper mit amorphen Wänden
Reaktionen und Synthesen von Festkörpern
Eigenschaften und Anwendungen von Festkörpern
Spezielle Kapitel
- aus Oberseminaren
  - Kristallchemie
  - Phasendiagramme und Thermoanalyse
  - Supraleiter
  - Glas
  - Keramik
  - Magnete
  - Laser
  - Edelsteine
  - Zeolithe
  - Pigmente
    - Eisenpigmente
    - Schwarzpigmente
    - Ti-Oxid-Pigmente
- s.a. die Seiten zum LA-AFP

Vorlagen

0: Einleitung (Gliederung, Ziele, Literatur)
- Vorlage 0.1.: Inhaltsübersicht (PS, PDF)
- Vorlage 0.2.: Gliederung, Literatur (PS, PDF)
- Vorlage 0.3.: Beispiele für die Anwendung von Festkörpern (PS, PDF)
- Vorlage 0.4.: Vergleich: Molekülchemie - FK-Chemie (PS, PDF)
1: Atomare und elektronische Struktur
- 1.1. Idealkristall
  - Vorlage 1.1.: Atomare Eigenschaften -> Chemische Bindung -> elektronische und atomare Struktur (PS, PDF)
  - Vorlage 1.2.: Kovalente Festkörper, Bsp. Pentele (PS, PDF)
  - Vorlage 1.3.: Metalle und Legierungen (PS, PDF)
  - Vorlage 1.4.: Ionenkristalle I (Pauling-Regeln) (PS, PDF)
  - Vorlage 1.5.: Ionenkristalle II (Besetzung von OL) (PS, PDF)
  - Vorlage 1.6.: Ionenkristalle III (Besetzung von TL) (PS, PDF)
  - Vorlage 1.7.: Idealkristall und Eigenschaften (PS, PDF)
- 1.2. Realkristall
  - Vorlage 1.8.: Punktdefekte I (PS, PDF)
  - Vorlage 1.9.: Punktdefekte II, Linienfehler (PS, PDF)
  - Vorlage 1.10.: Flächenfehler, Scherstrukturen (PS, PDF)
- 1.3. Amorphe Festkörper
  - Vorlage 1.11.: Gläser (PS, PDF)
2: Reaktionen und Synthesen von Festkörpern
- 2.1. Phasenumwandlungen
  - Vorlage 2.1.: Thermodynamische und strukturelle Charakterisierung von PU (PS, PDF)
  - Vorlage 2.2.: Beispiele (PS, PDF)
- 2.2. Phasendiagramme zweikomponentiger Systeme
  - Vorlage 2.3.: T-x-Phasendiagramme (PS, PDF)
- 2.3. Thermische Analyse
  - Vorlage 2.4.: Thermische Analyse (PS, PDF)
- 2.4. Reaktionen/Synthesen von Festkörpern
  - Vorlage 2.5.: Reaktionen I (PS, PDF)
  - Vorlage 2.6.: Reaktionen II (PS, PDF)
  - Vorlage 2.7.: Reaktionen III, Kristallzüchtung (PS, PDF)
3: Eigenschaften und Anwendungen von Festkörpern
- 3.1. Einleitung (Anisotropie, Kristallographie, Tensor-Eigenschaften)
  - Vorlage 3.1.: Übersicht (PS, PDF)
- 3.2. Polarisationseffekte
  - Vorlage 3.2.: Beispiel Dielektrika I (PS, PDF)
  - Vorlage 3.3.: Beispiel: Dielektrika II (PS, PDF)
- 3.3. Transportphänomene
- ... und viele weitere Vorlagen aus der Vorlesung Angewandte Festkörperchemie
- ... und Vorlagen aus den LA-AFP-Seminaren
  - Feste Ionenleiter, 2006
    - Vorlage 1: Einleitung, Ag-Halogenide, Zirkonia (PS, PDF)
    - Vorlage 2: Punktedefekte bei Festkörpern (PS, PDF)
    - Vorlage 3: ß-Alumina, Li-Ionenleiter (PS, PDF)
  - Halbleiter, 2005
    - Vorlage 1: Prinzipien, Bandlücken (PS, PDF)
    - Vorlage 2: Verbindungshalbleiter: Strukturen und Bandlücken (PS, PDF)
    - Vorlage 3: Herstellung von Substraten und HL-Schichten (PS, PDF)
    - Vorlage 4: Diode und Transistor (PS, PDF)
    - Vorlage 5: Optoelektronik, LEDs, Solarzellen (PS, PDF)
- ... und Vorlagen aus den LA-Oberseminaren
  - Künstliche Edelsteine
    - Vorlage 1: Übersicht, Diamant (PS, PDF)
    - Vorlage 2: Rubin, Granate, Beryll usw. (PS, PDF)
  - Supraleiter
    - Vorlage 1: Allgemeines, Low-T_c-Materialien (PS, PDF)
    - Vorlage 2: High-T_c-Materialien (PS, PDF)
  - Gläser
  - Keramik
    - Vorlage 1 (PS, PDF)
    - Vorlage 2 (PS, PDF)
  - Heterogene Katalysatoren
    - Vorlage 1: Übersicht, Kinetik, Reaktortechnik (PS, PDF)
    - Vorlage 2: Formselektivität, Zeolithe, Pillard Clays (PS, PDF)
  - Effektpigmente
    - Vorlage 1: Übersicht, Ti-Anlauffarben, Glimmer (PS, PDF)
    - Vorlage 2: Metalloxid-Glimmer-Pigmente (PS, PDF)
  - Schwarzpigmente
    - Vorlage 1: Farbigkeit und elektronische Struktur, C-Schwarz I (PS, PDF)
    - Vorlage 2: C-Schwarz II, Eisenschwarz (PS, PDF)
  - Laser
    - Vorlage 1: Funktionsprinzip, Übersicht Lasertypen (PS, PDF)
    - Vorlage 2: Rubin-, CO₂- und Halbleiter-Laser (PS, PDF)
  - Magnetmaterialien
    - Vorlage 1: Physikalische Grundlagen (PS, PDF)
    - Vorlage 2: Anwendungen (Übersicht), Metalle und Legierungen (PS, PDF)
    - Vorlage 3: Übergangsmetalloxide (PS, PDF)

Anmerkungen

Die Betrachtung der VRMLs (fast alle sind VRML-1) ist immer das Beste! Hierzu wird ein VRML-Viewer wie z.B. view3dscene (sehr zu empfehlen, für alle Plattformen vorhanden), vrweb, freewrl o. ä. benötigt. Weiteres hierzu auch auf den Seiten des Web-3D Consortiums.
Alle Strukturbilder wurden mit DRAWxtl, alle Schemazeichnungen mit xfig erstellt.
Die Betrachtung der SVG-Dateien (Scalable Vector Graphics) klappt inzwischen mit den meisten Browsern, man kann aber auch extra Betrachter (z.B. batik) installieren.