Materials Science

In den Materialwissenschaften können generell zwei verschiedene Ansätze gewählt werden, um den Lehrstoff zu präsentieren. Der traditionelle Ansatz startet von den grundlegenden Aspekten wie z.B. das Elektron, das Atom, Molekülbindungen, Festkörperbildung, Kristallographie und Kristalldefekte, um dann ein Verständnis der Eigenschaften auf der Millimeter und Zentimeterskala zu erarbeiten. In einem alternativen Ansatz startet man von Design-Aspekten. Dabei werden zunächst diejenigen Eigenschaften erörtert, die ein Material aufweisen muss, um sich in einer bestimmten Bauform für die Anwendung geeignet zu verhalten. Wenn die relevanten Eigenschaften, ihr Zusammenspiel und die Funktionalität bis zur Belastungsgrenze sowie die Herstellungsprozesse definiert sind, werden dann mikroskopische Aspekte erörtert, die den gewünschten Eigenschaften zugrunde liegen. Dieser Ansatz ist komplementär zu dem traditionellen Ansatz, der zumeist bei der Präsentation der Physik der kondensierten Materie (Festkörperphysik) gewählt wird. In der vorliegenden Vorlesung sollen die Materialwissenschaften von Design-Aspekten und Funktionalitäten herkommend in Ergänzung zur Festkörperphysik betrachtet werden. 

Inhalte:

Einführung

I.1: Geschichte

I.2: Materialeigenschaften - Auflistung relevanter Eigenschaften
 

Mechanische Eigenschaften - Spannungs-Dehnungs-Kurven, elastischer Bereich, plastische Verformung, Steifigkeit, Streckgrenze, Kaltverformung, Kristalldefekte, Festigkeitszunahme bei Polymeren

Parameterdefinitionen für thermische, elektrische, magnetische, optische, chemische Eigenschaften, die in nachfolgenden Kapiteln z.T. genauer diskutiert werden

II. 1: Materialzuordnung (Klassifizierung)

Eigenschaften von Metallen, Keramiken, Gläser, Polymere, Elastomere, Hybridmaterialien,

II.2: Prozessierung

Primäre, sekundäre Prozesse, Verbindungstechniken, Oberflächenbehandlung

II.3: Eigenschaftsveränderung bei Prozessierung

II.4: Übersichtsgrafiken für Materialeigenschaften

Elastizitätsmoduln vs. Materialklassen, … vs. Dichte, … vs. Kosten, Schallübertragung, Wellenimpedanz

II.5: CAD-unterstütztes Informationsmanagement

Glossar - Materialien und Eigenschaften

III: Designüberlegungen: Material vs. Design

III.1: Designprozess

III.2: Materialien und Prozessierung

III.3: Strategie

IV: Materialien und Wärme

IV.1: Thermische Eigenschaften: Definitionen und Messung

Spezifische Wärmekapazität, Wärmeausdehnung, Wärmeleitung, thermische Diffusivität

IV.2: Materialien mit verschiedenen thermischen Eigenschaften

Wärmeausdehnung vs. Wärmeleitung bei verschiedenen Materialklassen, Wärmeleitung vs. thermische Diffusivität bei verschiedenen Materialklassen, Wärmeleitung vs. Streckgrenze (Reissfestigkeit) bei verschiedenen Materialklassen

IV.3: Mikroskopische Aspekte der thermischen Eigenschaften

Gitterschwingungen und Wärmekapazität, Wärmeisolierung, thermische Ausdehnung und Anharmonizität, Invar-Legierungen, thermische Leitfähigkeit durch Phononen, thermische Leitfähigkeitsänderungen bei Materialprozessierung

IV.4: Diffusion von Atomen, Materialbearbeitung

Diffusionsstrom (1. Fick'sches Gesetz), thermische Aktivierung und Diffusion, Diffusion zur Materialbearbeitung

IV.5: Thermische Aspekte bei Design und Materialbearbeitung

Thermisch induzierte Verspannungen bei Verbindungstechniken, Ausdehnungskoeffizienten vs. Wärmeleitung, UHV-Verbindungstechnik, Sensorik mit Bimetallstreifen, Thermoschockwiderstand (von Glas), Wärmetauscher, Wärmeleitfähigkeit vs. Streckgrenze für Materialien, Form-Gedächtnis-Legierungen

IV.6: Materialien bei hohen Temperaturen

IV.6.1: Temperaturabhängige Materialparameter

Lineare vs. Nicht-lineare Abhängigkeiten, Streckgrenze vs. Max. Einsatztemperatur von Materialien verschiedener Klassen, Schmelzpunkt verschiedener Materialien; Lineare Temp.-Abhängigkeiten von Dichte, Elastizitätsmodul, Widerstand, Brechungsindex; Nicht-lineare Temp.-Abhängigkeiten aufgrund von viskosem Fluss, Kriechen, Kriechdehnung bei verschiedener Belastung und Zeitspanne  (erste, zweite, dritte Stufe bis zum Bruch), Kriechgeschwindigkeit, stationäre Kriechrate, Potenzgesetz, Aktivierungsenergie für Kriechvorgang, Kriechresistenz bei hoher Temperatur und verschiedenen Dehnungsraten bei verschiedenen Materialien (Klassen), spezifische Materialien für Hochtemperatureinsätze, Materialschäden/Kriechbruch

IV.6.2: Mikroskopische Prozesse

Kriechen durch diffusive Prozesse, Rolle von Korngrenzen, Klettern von Versetzungen, Kriechbruch, Larson-Miller-Parameter, Vergleich Deformationsmechanismen/Kriechen: reines Nickel und Nickel-Legierung

IV.7: Materialien mit Kriech-Resistenz

IV.8: Designoptimierung gegen Kriechen

V: Optische Bauelemente
V.1: Einführung

Eigenschaften: transparent, transluzent, opak; Transmission, Reflexion am Beispiel des Lycurgus-Kelchs, Reststrahlenbande, Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Funktion, Brechungsindizes ausgesuchter Materialien

V.2: Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Reflexion, Transmission, Absorption, Brechung, Totalreflexion, spekulare vs. diffuse Streuung, komplexer Brechungsindex, Beispiel CdS: realer, imaginärer Anteil von Brechungsindex und dielektrischer Funktion, wellenlängenabhängige Reflektivtät, normale vs. anomale  Dispersion

V.3: Übersichtsgrafiken zu optischen Eigenschaften

Bechungsindex vs. dielektrische Konstante, Reflektivität verschiedener Materialien vs. Brechungsindex (optischer und IR-Spektralbereich)

V.4: Mikroskopische Aspekte der optischen Eigenschaften

Isotropes vs. anisotropes Verhalten, elektronische Polarisierbarkeit, ionische Polarisation, Orientierungspolarisation
 

V.4.1: Dielektrische Eigenschaften bei optischen Frequenzen

Metalle, Plasmafrequenz, Reflexion/Spiegelwirkung, Reflexion von Aluminium und Kupfer, Interbandübergänge, wärmeisolierende Glasscheiben, Plasmon

V.4.2: Dielektrika

Transparenz bei optischen Frequenzen, Reststrahlenbande, Transluzenz, Opakes Verhalten, Mikrostruktur von Saphir und Polymeren, Farbeffekte durch Dotieren; Begriffsklärung: Photochrome, thermochrome, elektrochrome Eigenschaften, Dichroismus, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Chemo- und Elektrolumineszenz, Photoleitung         

V.4.3: Glasfasern

Geschichte, Prinzip, Materialien

V.5: Dielektrische Eigenschaften bei kleinen Frequenzen

Mikroskopische Aspekte der Orientierungspolarisation, dielektrische Funktion, Beispiel: Frequenz- und temperaturabhängige Polarisation (Suszeptibilität) von Eis, Messverfahren, Einfluss der Kristallstruktur

VI: Von Elektrischen Leitern zu Piezo- und Ferroelektrizität

Spezifische Leitfähigkeiten der Materialklassen, Thermische Leitfähigkeiten vs. elektrischer Widerstand der Materialien, Wiedemann-Franz-Gesetz, Streckgrenze vs. elektrischer Widerstand der Materialien, Mikroskopische Aspekte der Streuung, Elektronendichten der Metalle, Elektronenbeweglichkeiten, Einfluss von Fremdatomen, geordnete vs. ungeordnete Legierungen, Einfluss der Werkstoffbearbeitung (z.B. Härtung) auf elektrischen Widerstand spezieller Materialien wie Kupfer und Aluminium; Temperaturabhängigkeiten des Widerstands von Isolatoren, Halbleitern, Metallen; Mathiessen-Regel, Beweglichkeiten von Halbleitern und Metallen, temperaturabhängige Ladungsträgerdichten und Leitfähigkeiten von dotiertem Germanium, typische Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit von volumendotierten Halbleitern

VI.1: Pyro- und Piezoelektrizität

Infrarotsensoren, polare Achsen, fehlende Inversionssymmetrie, direkter und inverser piezoelektrischer Effekt, Quarz, PZT, elektromechanischer Effekt, Einsatz als Dehnungsmessstreifen, Verstellelemente, SAW-Filter, etc., Ferroelektrizität und strukturelle Phasenübergänge: Verlauf der dielektrischen Konstante an der Ordnungstemperatur

VI.2: Ferroelektrizität

Prototypisches Material: BaTiO3 (Kristallgitter und spontane Polarisation, Gitterkonstanten), Ferroelektrische Kristalle, Verlauf der dielektrischen Konstanten bei Phasenübergängen 1. und 2. Ordnung, Hysterese-Kurve, Domänen, mikroskopische Eigenschaft der Domänenwand, Definition des Ferroelektrikums

VI.3: Curie-Gesetz in der paraelektrischen Phase

Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Konstanten, materialspezifische Werte am Übergang, 1/(T-q)-Gesetz

VI.4: Antiferroelektrizität (Polarisierung, Hystereskurve)

VII. Magnetische Materialien

VII.1: Anwendungen, Vorbetrachtungen

Festspeicherplatte, Speicherdichte-Entwicklung, Magnete: Einsatz im Kraftfahrzeugbereich, Miniaturisierung von Hartmagneten, Übersicht: Einsatzgebiete von Selten-Erd-Magneten, Levitation/Diamagnetismus

VII.2: Grundlagen

Einteilung magnetischer Materialien (Dia-, Para-, Ferro-, Ferri-, und Antiferromagnetismus), gyromagnetisches Verhältnis, Raumtemperatur-Magnetismus der Elementfestkörper, Verlauf der Flussdichte für verschiedene Materialien, Permeabilitäten, Suszeptibilitätswerte für Dia- und Paramagnete, Ordnungstemperaturen, Austauschwechselwirkung, Spinkonfigurationen, Spinstruktur von Magnetit, Curie-Weiss-Gesetz, MnO als prototypischer Antiferromagnet, Superaustausch

VII.3. Magnetische Hysterese und Anisotropien

VII.3.1: Hysteretisches Verhalten

Hysteresekurven M(H), Sättigungsmagnetisierungen und magnetische Suszeptibilitäten, Domänen und Domänenwände (Bloch- und Néel-Wände), Entmagnetisierungsfaktoren, Eindomänenteilchen aus polykristallinem Kobalt

VII.3.2: Magnetische Anisotropien

Spin-Bahn-Wechselwirkung, uniaxiale und kubische Anisotropie (phänomenologische Beschreibungen), Leichte und schwere Achsen bei Fe-, Ni-, Co-Einkristallen, Formanisotropie, Temperatureinfluss auf M(H) und Sättigungsmagnetisierung, Übersicht über Koerzitivfelder, Einfluss von Mikrostruktur

VII.4: Weichmagnete

Relevante Materialien, Aufbau und Mikrostruktur von Transformatorblechen, Weichmagnete mit reduzierten Wirbelstromverlusten, oxidische Weichmagnete (Spinelle), Bandpassfilter mit Yttrium-Eisen-Granat (YIG), Ferrite, metallische Gläser

VII.5: Amorphe weichmagnetische Sensoren

Warensicherungssysteme, Aufbau der elektromagnetischen vs akustomagnetischen Systeme, amorphe Metalle: Herstellung und Eigenschaften (mechanisch, elektrisch), Einstellung des Koerzitivfelds über Entmagnetisierungsfaktor, Magnetostriktion, Magnetisierungsabhängiger Elastizitätsmodul, magnetisch kontrollierte mechanische Resonanz

VII.6: Hartmagnete

Material-Entwicklungen, Energieprodukt, Kennzahlen, Spezielle Materialien, AlNiCo, CoSm, NdFeB, hexagonale Ferrite, mikroskopische Struktur der relevanten hartmagnetischen Materialien, Feinkörnigkeit, Unterdrückung von Domänenwänden, Ummagnetisierung durch Rotation, magnetische Anisotropien 

VII.7: Aufbau der magnetischen Festspeicherplatte

VIII: Halbleitermaterialien

VIII.1: Eigenhalbleiter (Begriffe)

Intrinsische Eigenschaften von Si und Ge, Rekombination

VIII.2: Störstellenhalbleiter (Begriffe)

Akzeptor- und Donatorniveaus in Si und Ge, Störstellenerschöpfung, Beweglichkeiten von Elektronen und Löchern bei Raumtemperatur in unterschiedlich dotiertem Si und Ge, Thermistor, Halbleiterverbindungen und deren Elektronenbeweglichkeiten, Relevanz der Materialien für Hochfrequenzelektronik und Optoelektronik (s- und p-Zustände an Bandkanten, direkter vs indirekter Halbleiter)

VIII.3: p-n-Diode

Aufbau und Funktionsweise der p-n-Diode, Raumladungszone, Diffusions- und Feld(Drift)-Ströme, p-n-Diode im Gleichgewicht und bei angelegten Spannungen, Durchlass- und Sperrbereich der Diodenkennlinie, Diodenkennlinienverlauf: Einfluss von Diffusions- und Driftströmen, Diode als Gleichrichter und Solarzelle

VIII.4: Heterostrukturen 

Modulationsdotierte Heterostrukturen mit erhöhter Elektronenbeweglichkeit, p-n-Dioden-Laser vs Heterostrukturlaser, Bandstrukturverlauf, Besetzungsinversion, Brechungsindexvariation, Resonator, Materialauswahl für Lichtwellenlängen (z.B. GaAs-System für rote Laser, GaN für blauen Laser, HgCdTe-System für Wärmebildkameras)

VIII.5: Heterostruktur-Wachstum

Begriffsklärungen: Homo- und Heteroepitaxie, pseudomorphes und verspanntes Wachstum, kritische Schichtdicke, Verspannungsabbau, Molekularstrahlepitaxie, Metallorganische Chemische Gasphasen-Epitaxie

Der Student/die Studentin werden in die Lage versetzt, z.B. elektrische, optische, thermische und magnetische Materialien hinsichtlich Design-Aspekten, ihrer Funktionalität und Materialprüfung einzuschätzen und in Bezug zu relevanten Anwednungsfeldern zu setzen. Dabei werden ihnen die verschiedenen Zusammenhänge zu z.B. historischen Entwicklungen, Persönlichkeiten und mikroskopischen Aspekten deutlich. Übersichtsartige Parameterdarstellungen zu verschiedenen Materialklassen ermöglichen es den Studenten am Ende der Vorlesung, Materialien in Bezug auf spezielle Anforderungen und Funktionalitäten zu bewerten und hinsichtlich Belastungsgrenzen einzuschätzen.  

Einführung in die Festkörperphysik bzw. Physik der kondensierten Materie

Die Vorlesung wird kompakt in der ersten Hälfte der Vorlesungszeit gelesen. Die Vorlesung wird ergänzt durch Tutorübungen.

The lecture is given in German language. Figures are taken often from English literature with English figure captions.

Es gibt sehr gute Übersichtsbücher über Materialwissenschaften. Hier werden z.B. zwei genannt, die in englischer Sprache vorliegen: "Materials" von M. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon, Elsevier, 3. Auflage, 2014; "Introduction to Material Science", J.P. Mercier, G. Zambelli, W. Kurz, Elsevier, 2002. Weitere für die Vorlesung herangezogene Bücher in deutscher Sprache erhältlich: W.D. Callister, D.G. Rethwisch "Materialwissenschaften und Werkstofftechnik", Wiley-VCH; D.R. Askeland "Materialwissenschaften", Spektrum Akademischer Verlag; S. Hunklinger "Festkörperphysik", Oldenbourg Verlag; R. Gross/A. Marx "Festkörperphysik", Oldenbourg Verlag. Weitere Quellen in der Vorlesung bekannt gegeben.

The learning outcome is tested in an oral exam. Participation in tutorials is strongly recommended.