Festkörperstrukturen

Festkörperstrukturen bezeichnen die räumliche Anordnung von Atomen in festen Stoffen. Sie umfasst kristalline Feststoffe mit regelmäßiger Gitterperiodizität sowie amorphe Feststoffe, die keine langfristige Ordnungsordnung besitzen. Die Struktur beeinflusst mechanische, optische und elektrische Eigenschaften von Materialien maßgeblich.

In kristallinen Festkörpern sind die Atome in einem wiederkehrenden Gitter angeordnet. Die kleinste wiederholende Einheit heißt Elementarzelle, und das periodische Muster erstreckt sich in drei Dimensionen, wodurch Bravais-Gitter entstehen. Häufige Kristallstrukturen sind kubisch dicht gepackt (fcc), kubisch raumzentriert (bcc) und hexagonal dicht gepackt (hcp). Die Gitterparameter a, b, c sowie α, β, γ beschreiben Abstände und Winkel zwischen den Gittervektoren.

Amorphe Festkörper zeichnen sich durch das Fehlen einer langfristigen Ordnungsordnung aus. Beispiele sind Glas und viele Polymere; sie besitzen keine translational symmetrie, zeigen aber oft lokale, kurze Ordnung.

Defekte, Grenzflächen und Mikrostrukturen beeinflussen Eigenschaften stark. Punktdefekte wie Vakanzen oder Fremdatome, Versetzungen, Korngrenzen und Oberflächenstrukturen verändern Diffusion, Festigkeit, Duktilität und elektronische Leitfähigkeit. Die Struktur von Festkörpern drückt sich auch in der elektronischen Struktur aus, insbesondere in der Elektronenbandstruktur und der Bandlücke. Diese bestimmen, ob ein Material Leiter, Halbleiter oder Isolator ist und wie es sich elektromagnetisch verhält.

Anwendungen der Festkörperstrukturen reichen von Elektronik, Optik und Energieerzeugung bis zu Werkstoffen für Infrastruktur, Energiespeicher und Katalyse. Das Verständnis der Strukturen ist zentral für die Entwicklung neuer Materialien mit gezielter Leistung.