Faststoff

As Faststoff oder Fastkörper warrt in de Naturwetenschop de Materie betekent, de in faste Phaas vörliggt. Dorbi hannelt sik dat üm en Sünnerall vun kondenseerte Materie. In’n ingrenzten Sinn versteiht man dorünner en Stoff, de bi en Temperatur vun 20 °C in faste Phaas is, wobi de Beteken Faststoff in dissen Fall den Stoff typiseert un nich vun de Temperatur afhangt.

De Egenschoppen vun en Faststoff ünnerscheedt sik dör de gegenseitigen Wesselwirken vun de Bostenen vun de Materie düchtig vun de Egenschoppen vun Lösen oder vun fre’e Deelken. En sünner’t Kennteken vun Faststoffen is de Bestännig vun de Orden (amorph oder kristallin), de jemehr Bostenen opwiest.

In’n technischen Spraakbruuk hebbt Fastkörpers en sünnere Mindst-Utdehnen, de aver nich scharp defineert is. Dorna sünd Fastkörpers also makroskopische Körpers – in’n Ünnerscheed to mikroskopische Körpers. So gellt to’n Bispeel in’n Normalfall en Makromolekül för sik alleen noch nich as Fastkörper. Materie in’t Övergangsrebeet warrt Cluster nöömt.

Man kann sik all Faststoffen vörstellen, as weern se ut Bostenen tosamensett. en Bosteen kann dorbi en enkelt Atom oder Molekül wesen, man ok en Koppel dorvun. Wenn all Bostenen vun de glieken Oort sünd, seggt man dorto Monostruktur, anners hannelt sik dat üm Heterostrukturen.

Typen

En ÜNnerscheed warrt twüschen amorphe (Stoffen „ahn Gestalt“) un kristalline Fastkörpers maakt. De Fastkörperphysik befaat sik dorbi tomeist mit de Egenschoppen vun kristalline Fastkörpers. Dorünner versteiht man – as in de Geologie – en fien Föög, as dat to’n Bispeel bi’n Marmor, wo sik dat as Funkeln vun de lüttsten Koorns wiesen deit. Dat Woort kristallin bedüüt, dat de Körper ut Kristallen besteiht.

In’n Gegensatz to Stenen is dissse Föög in de meisten Fastkörpers, de in de Technik oder de Industrie bekeken warrt, veel fiener un sülvst ünner’t Mikroskop bi starkste Vergrötter mitünner swor to kennen. En Utnahm dorvun sünd to’n Bispeel de Weiss-Bezirken vun Metallen, de för den Ferromagnetismus verantwoortlich sünd.

Eenkristall

En Kennteken vun Kristallen is de regelmatige Anorden vun jemehr Bostenen. De Oort vun de Kristallstruktur is verantwoortlich för vele Egenschoppen vun den Faststof. Kohlenstoff hett to’n Bispeel twee verschedene Kristallstrukturen, den Graphit un den Demant, de vullstännig ünnerscheedliche elektrische Leddanlagen hebbt – Graphit leidt den Stroom goot, wiel Demant en Isolater is.

amorphe Körpers

De Physik vun de amorphen Fastkörpers is veelschichtig. Dorünner warrt all Fastkörpers tosamenfaat, de keen regelmatige Struktur opwiest. Dorto höört de meisten Glääs un eenige verklamte Fletigkeiten. Mit Verleren vun’n makroskopshe Struktur, gaht ok vele tyypsche Egenschoppen vun de Kristallen verloren. De meisten amorphen Faststofen sünd slechte elektrische Leiders. Liekers is dit Rebeet en intressant Thema to’n Utforschen, vun wegen dat dat Fehlen vun en Kristallstruktur ok en Fehlen vun Anisotropie-Effekten bedüüt.

Polykristalline Fastkörpers

Kristallin un amorph sünd nich de eenzigen Orden vun Fastkörpers – dortwüschen gifft dat en Rebeet, de sotoseggen en Mischform dorstellt, neemlich de polykristallinen Fastkörpers. De bestaht ut en Ansammeln vun lütte Eenkristallen, de ahn Orden to en grote Gestalt verboet sünd.

Binnen

Dat Tosamenhollen vun en Fastkörper baseert op en antrecken Wesselwirken twüschen de Atomen oder Molekülen op’n grötteren Afstand un en repulsiven op’n korten. De energetisch beste Afstand warrt as Gleikgewichtsafstand betekent. Is de thermische Energie vun de Atomen to siet, üm ut disse Potenzialfall ruttokamen, billt sik starke Anorden ut un de Atomen sünd cheemsch mitenanner bunnen.

In’n groten un Ganzen gifft dat veer Orden vun Binnen, de den Opbo un de Egenschoppen vun Fastkörpers vör allen bestimmen doot:

Ionenbinnen: Disse Oort kummt jümmer – tomindst andeelig – vör, wenn Fastkörpers ut ünnerscheedliche Elementen opboet sünd, de en ünnerscheedliche Elektronegativität opwiest. Dat een Element gifft dorbi en Elektron an dat annere af un warrt dormit to’n Anion. Dat annere warrt to’n Kation. De ünnerscheedlichen Ladungen föhrt to en elektrostaatsche Antrecken. Tyypsche Faststoffen mit disse Oort vun Binnen sünd de Solten.

Atombinnen: Disse Oort warrt ok as kovalente Binnen betekent, se baseert op en Afsacken vun de elektronischen Energie. Dat Prinzip is dat glieke as bi’t Billn vun Molekülen as to’n Bispeel O₂. Op disse Oort sünd vör allen de Elementen ut de veerten Hööftgrupp (Kohlenstoff, Silizium, Germanium) bunnen. Den Tostand vun de Elektronen betekent man ok as sp³-Hybridiseeren.

Metallbinnen: Disse stellt en Sünnerfall vun de Atombinnen dor. Ok hier funkschoneert de Binnen över’n Afsacken vun de elektronischen Energie, man hier is de Överlappen vun de Orbitalen vun de Atomen so groot, dat se ok noch mit jemehrn övernächsten (oder mehr) Naver wesselwirken doot. Dat kann man sik so vörstellen, dat de Ionenrümp vun de Atomen in en „Elektronensee“ inbett sünd. AS de Naam dat al seggt, warrt disse Oort vun Binnen vun Metallen utbillt.

Van-der-Waals-Binnen: Disse Binnen kummt jümmers vör, man se is so swack, dat se blots in’t Gewicht fallt, wenn keen vun de annern Binnenorden vörkumt. De antrecken Kraft is dorbi en eletrostaatsche, de hier aver över en induzeert Dipoolmoment veroorsaakt warrt. Eddelgasen un Molekülkristallen warrt alleen von disse Oort tosamenhollen.

Dat is nu nich so, dat disse Orden isoleert sünd, also blots de een oder de annere optreden deit. De Övergang vun ionisch to kovalent to metallsche Binnen is langsom un verwischt. Bito künnt in Fastkörpers ok verschedene Binnen blangenenanner vörkamen. Graphit t. B. besteiht ut Schichten vun Kohlenstoffatomen, de kovalent bunnen sünd, wiel de Schichten ünnerenanner över Van-der-Wals-Binnen tosamenhollen warrt. Nu is de Van-der-Wals-Binnen aver so swack, dat se licht to breken is. Dorüm bruukt man Graphit as Minen vun Bliestickens: de Binnen riet al op, wenn de Graphit över’t Papeer rieven deit. Kristallstrukturen mit ünnerscheedliche Binnenorden warrt as heterodesmisch betekent, wenn blots een Oort vörkummt, heet dat homodesmisch.

Böverflachen

Mit de Böverflach sünd de böversten een bit dree Atomlagen meent an de Grenz to dat Vakuum. Dat Fehlen vun Binnpartners na de een Siet is för de Atomen vun disse Schicht normalerwies mit en Relaxatschoon oder Rekombinatschoon verbunnen. Dorbi versöökt de Atomen dör Ännern vun jemehr Binnenläng to deepere Schichten (Relaxatschoon) oder dör Ümorden vun jemehr Positschonen un Afsättigen vun apene Binnen (Rekombinatschoon) en Tostand intonehmen, de vun de Energie her beter is. Dat Resultat sünd ne’e Böverflachenstrukturen, de en annere Periodizität opwiesen künnt as dat Substrat.

En annere Sünnerheit is dat Vörkamen vun Böverflachtostännen. Dat heet, dat in de normalerwies för energeetsch verbodene Rebeden – de Bandlücken – verlööfte Energietostännen för Elektronen entstahn künnt. Bi Halfleiders sorgt disse ne’en Tostännen för en Verbögen vun de Bänner un dormit to’n Ännern vun de elektrischen Leddanlaag. So künnt Leddkanals tostannen kamen, wat to’n Bispeel för Feldeffekttransisters nütt warrt.

Egenschoppen vun Faststoffen

Elektrische Leddanlaag

Afhangig dorvun, wo goot se den elektrischen Stroom leiden doot, kann een Faststoffen in Leider, Halfleider oder Nichleider indeelen. Disse Indelen is histoorsch fastleggt, man en Verkloren, wo de Ünnerscheeden herkamt, künn eerst dör dat Bännermodell geven warrn. Vundaag warrt de Gruppentoorden dorüm dör de Grött vun de Bandlück fastleggt.

Leider: Gode Leiders sünd meist all Metallen. De Leddelektronen verhollt sik so, as wenn se sik inn Fastkörper free bewegen künnt. Stiggt de Temperatur, warrt de Leddanlaag aver lütter, wat dormit to kriegen hett, dat de Elektronen ünnerenanner fakener tohoopstöten doot, un ok mit de Fehlsteden in de Kristallstruktur.

Halfleider: De opfalligste Egenschop vun de elektrischen Leddanlaag bi Halfleiders is jemehr stark Afhangen vun de Reinheit un ok vun Parameters vun buten as de Temperatur. Bi reine (intrinsische) Halfleiders warrt de Leddanlaag mit stiegen Temperatur düchtig grötter – faken üm en Gröttenorden bi ruchweg 20 K Ünnerscheed. Blangen de Elektronen drägt hier ok de so nöömten Defektelektronen mit to de Leddanlaag bi. De Dicht vun de Ladungsdrägers vun Löcker un Elektronen sünd bi intrinsische Halfleiders gliek groot, man de Proportschoon kann dör afsichtlich Verunreinigen (Doteeren) eensietig ännert warrn.

Nichleider: Isolaters leidt den elektrischen Stroom ünner normalen Bedingen so goot as gor nich.

De elektrische Leddanlaag höört in de Physik to de Grötten, de sik an dullsten ännert. Ehr mööglichen Weersten künnt över en Rebeed vun dörtig Gröttenorden wesseln. Dorbi wiest de meisten Faststoffen, de nich magnetisch sünd, bi bannig siete Temperaturen en sünnerlichen Effekt op: Geiht de Temperatur ünner ein sünnere kritische Temperatur verswinnt de elektrische Wedderstand vullstännig. Denn warrt dorut en Supraleider.

Formborkeit

Anners as in das Gasphaas oder in de fletigen Phaas, künnt sik de Deelken vun’n Faststoff nicht groot gegenenanner verschuven – na jemehr kristallordigen Fienstruktur. Disse Verformen sünd in’t lüttste blots swor to modelleeren, man bi över Millionen oder Trillionen vun Deelken steekt an’t Enn denn doch wedder physikaalsche Gesetten dorachter. De hangt mit de Elastizität un ehr Moduln tosamen as ok mit de Form un de Dimension vun den Körper, de sik verformen schall.

En idealiseerten Fastkörper, de as Modell in de klassischen Mechanik bruukt warrt, is de stieve Körper. De kann nich verformt warrn, kummt in de Natur aver ok nich vör. Liekers is dat in de meisten Fäll en goot Modell för de echten Objekten in de Natur. De echte Fastkörper hett in de Regel keen eenfacke Verformborkeit, man een, de vun de Richt afhangt. Dat is to’n Bispeel wat, womit sik de Fastkörperphysik un de Theorie vun Materiebülgen befaat.

Reaktivität

In’n Vergliek to Reakschonen, de in Lösen stattfinnt, bruukt Reakschonen vun Faststoffen tomeist ’n düchtig hoge Aktiveerensenergie. Dat liggt an’n Reakschoonsmechanismus, na den de Fastkörtperreakschonen afloopt: De leddigen Steden in’t Kristallgideer wannert dorbi as in en „Schuuvpuzzle“. Dorför mutt de Kristallstruktur verformt warrn, wat en grötteren Opwand an Energie bedüüt.

Annere Egenschoppen

En wietere tyypsche Egenschop vun Faststoffen is jemehr Leddanlaag för Warms. De is tomeist koppelt an de elektrische Leddanlaag.