Gittertemperatur

Gittertemperatur, auch als lattice temperature bezeichnet, ist in der Festkörperphysik die Temperatur, die die statistische Verteilung der Gitterschwingungen eines Kristalls charakterisiert. Sie spiegelt die mittlere Energie der Gittermoden wider, also der Phononen, und wird durch eine Boltzmann- beziehungsweise Bose-Einstein-Verteilung bei Tl beschrieben. In thermischem Gleichgewicht entspricht Tl der Umgebungstemperatur des Materials oder dem Thermostat, das den Kristall umgibt.

In vielen Experimenten kann Tl von der Elektronentemperatur Te unterschieden sein. Bei ultrakurzen Laserimpulsen erhitzen Elektronen rasch das Material, während die Gitterschwingungen langsamer abheizen. Kurzzeitige Zustände mit Te > Tl werden oft durch das Zwei-Temperatur-Modell beschrieben, bei dem Energie durch Elektron-Phonon-Kopplung vom Elektronensystem auf das Gitter übertragen wird. Die Rückführung in Gleichgewicht erfolgt über Phonon-Phonon-Wechselwirkungen und Wärmetransport.

Die Bestimmung von Tl erfolgt indirekt. Typische Messgrößen sind temperaturabhängige Gitterkonstanten und Phononenspektren aus Raman-Spektroskopie oder Röntgenbeugung, Wärmekapazität und Temperaturprofile im Material. Modelle verwenden Tl als Parameter der phononischen Subsysteme; Debye-Modelle und Kristallstrukturdaten helfen, die Beziehung zwischen Tl, der Makrotemperatur und der Materialbeschaffenheit zu beschreiben.

Die Gittertemperatur ist von zentraler Bedeutung in Halbleitern, Leuchtdioden, Quantenpunkten und Nanostrukturen, wo das Gitter die elektronische Lebensdauer, Lichtemission und die thermische Stabilität beeinflusst. In der Lasertechnik und der Ultrafast-Spektroskopie dient Tl als wichtige Größe zur Beschreibung der zeitlichen Wärmeentwicklung nach Anregung. Die Messung und Kontrolle von Tl ist relevant für das thermische Management in Mikro- und Nano-Geräten.