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Strukturaufklärung, Bauprinzipien und Synthese kristalliner Materialien in zwei und drei Dimensionen
Structure Determination, Building Principles, and Synthesis of Crystalline Materials in Two and Three Dimensions

Modul PH2191

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom SS 2018 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
SS 2018SS 2017SS 2014

Basisdaten

PH2191 ist ein Semestermodul in Deutsch oder Englisch auf Master-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
150 h 30 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2191 ist Markus Lackinger.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Viele Materialien in Natur und Technik sind kristallin, d.h. ihr Aufbau ist auf atomarer Skala periodisch. Für ein mikroskopisches Verständnis physikalischer Eigenschaften und ihrer Anisotropie bzw. als Grundlage für Simulationen ist die Kenntnis der Struktur essenziell. Ziel des Moduls ist die Vermittlung der Grundlagen für die Strukturaufklärung mittels Beugungsexperimenten, d.h. der Bestimmung der Elementarzelle und den Positionen der darin enthaltenen Atome. Nachdem dabei vorteilhaft Symmetrien ausgenutzt werden, wird ein Überblick über vorkommende Symmetrien, deren Kombination und Kopplung, sowie ihre systematische Einteilung in Punkt- bzw. Raumgruppen gegeben. Des Weiteren werden wichtige Verfahren zur Kristall-Züchtung und zur Synthese neuartiger kristalliner organischer Materialen wie Metal-Organic-Frameworks und Covalent-Organic-Frameworks exemplarisch vorgestellt. Als Besonderheit wird mit Bezug zu Nanomaterialen abschließend auf die Synthese und Strukturaufklärung zweidimensionaler Materialien eingegangen.

Die Themen der Vorlesung sind:

  • Grundlagen der Kristallographie
  • Bravais-Gitter in 2D und 3D
  • Punktsymmetriegruppen und Raumgruppen in 2D und 3D
  • Physikalische Grundlagen der Strukturaufklärung mittels Diffraktion
  • Systematische Auslöschungen
  • Experimentelle Realsierungen von Diffraktionsexperimenten
  • Lösungsansätze für das Phasenproblem
  • 2D Diffraktionsexperimente
  • Elementarprozesse des Kristallwachstums
  • Überblick wichtigste Kristallzüchtungsverfahren

Lernergebnisse

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage

  • die Einführung der Kristallsysteme anhand der Gitter-kompatiblen Symmetrien zu verstehen.
  • einfache und gekoppelte Symmetrieoperationen in 2D und 3D zu identifizieren und anzuwenden.
  • die Punktsymmetriegruppen / Kristallklassen von Einzelobjekten in 2D und 3D zu bestimmen.
  • die Raumgruppen von periodischen Strukturen in 2D zu bestimmen.
  • die Beschreibungen der 3D Raumgruppen in den International Tables for Crystallography nachzuvollziehen.
  • die Laue-Gleichungen und die Bragg-Gleichung abzuleiten.
  • reziproke Gittervektoren zu berechnen und deren physikalische Bedeutung zu verstehen.
  • Strukturfaktoren für gegebene Strukturen zu berechnen und zu interpretieren.
  • die Einflussgrößen auf experimentell beobachtbare Reflexintensitäten zu überblicken.
  • die Bedingungen für systematische Auslöschungen bei gegebenen Zentrierungen, Schraubenachsen oder Gleitspiegelebenen abzuleiten.
  • Pulverdiffraktogramme mittels der Bragg-Gleichung unter Berücksichtigung der Auslöschungsregeln auszuwerten.
  • das Auftreten von Reflexen anhand der Ewald-Konstruktion in 2D und 3D für monochromatische und polychromatische Röntgenstrahlung zu beurteilen und deren Beugungswinkel zu konstruieren.
  • prinzipielle Lösungsstrategien für das Phasenproblem nachzuvollziehen.
  • die Unterschiede zwischen Röntgen-, Neutronen- und Elektronenbeugung zu verstehen.
  • die Rolle von Nukleation und Wachstumsprozessen bei der Kristallzüchtung zu bewerten.
  • die wichtigsten Kristallzüchtungsverfahren zu klassifizieren und zu beschreiben.

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VO 2 Strukturaufklärung, Bauprinzipien und Synthese kristalliner Materialien in zwei und drei Dimensionen Lackinger, M. Mi, 12:00–14:00, PH II 227
sowie einzelne oder verschobene Termine

Lern- und Lehrmethoden

In der Vorlesung werden die Inhalte durch Vortrag und Ableitung der physikalischen Grundlagen mit vielfältigen Hinweisen auf Originalarbeiten zur weiteren Vertiefung erläutert. Die experimentelle Realisierung der Strukturaufklärung mittels Diffraktion wird ausführlich besprochen. Die Lehrinhalte werden durch anschauliche Beispiele verständlich gemacht. Dabei werden makroskopische Anschauungsmaterialien (Minerale, Kristall- und Molekülmodelle, etc.) zur Erläuterung und Illustration der beschriebenen Effekte und Phänomene benutzt. Besonderer Wert wird auf die Anregung interaktiver Diskussion mit den Studierenden und unter den Studierenden über das gerade Erlernte gelegt. Begleitet wird die Vorlesung von abgestimmten und ergänzenden Übungsaufgaben, die die Studierenden im Selbst-Studium bearbeiten. Diese Übungsaufgaben setzen eigene Recherche und das selbstständige Literaturstudium voraus.

Medienformen

Vortrag, Beamer-Präsentation, Tafelarbeit, Übungsblätter, PDF-Skript zum Download, Schnitte für Papiermodelle

Literatur

1) Werner Massa: Kristallstrukturbestimmung,  Vieweg + Teubner 2011;
2) Walter Borchardt-Ott und Heidrun Sowa: Kristallographie: Eine Einführung für Naturwissenschaftler, Springer 2013

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen, Symmetriebestimmungen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Bestimmung der 2D Raumgruppe einer periodischen Struktur
  • Bestimmung des Strukturfakotrs für eine gegebene Einheitszelle
  • Ermittlung der Koordination bei Abbildung des Punktes (x,y,z) durch gegebene Symmetrieelemente (z.B. Gleitspiegelebene, Schraubenachse)
  • Interpreation eines gegebenen Pulverdiffraktorgramms
  • Erklärung was Laue Klassen sind

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

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