Streuprozesse in Festkörpern
Elektronen, Phononen (Gitterschwingungen) können beim Durchqueren eines Festkörpers mit den Bestandteilen des Festkörpers stoßen und mit ihnen wechselwirken und damit ihre Richtung oder Energie verändern. Wie gut ein Festkörper den elektrischen Strom leitet, hängt von seiner elektrischen Resistivität \( \rho \) (auch spezifischer elektrischer Widerstand genannt) ab.
Streuung von Elektronen an Gitterdefekten: Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter, wie Verunreinigungen oder Leerstellen, können Elektronen streuen.
Streuung von Elektronen an Phononen: Wechselwirkung mit Schwingungen des Gittergerüsts, sogenannten Phononen, kann ebenfalls zu Elektronenstreuung führen.
Streuung von Elektronen an anderen Elektronen: Die abstoßende Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektronen führt zur dieser Wechselwirkungsart. Elektronen in einem Festkörper folgen außerdem der Fermi-Dirac-Verteilung, die besagt, dass keine zwei Elektronen denselben quantenmechanischen Zustand gleichzeitig besetzen können. Das beeinflusst auch die Elektron-Elektron-Streuung.
Welche Streuprozesse dominieren in Metallen?
Die Resistivität wird durch Streuung der Leitungselektronen im Metall beeinflusst. Folgende Streuprozesse im Metall dominieren und machen das Metall somit weniger gut leitfähig:
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Streuung an Phonen - bei hohen Temperaturen steigt die Resistivität \( \rho_{\text{ph}} \), die durch Gitterschwingungen (Phononen) verursacht wird, linear an. Bei hohen Temperaturen dominiert dieser Streuprozess.
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Streuung an Defekten und Verunreinigungen (Störstellenstreuung) - bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (~ 4K) dominiert dieser temperaturunabhängiger Streuprozess.
Aber auch Streuung an der Probenoberfläche und Elektron-Elektron-Streuung tragen zur Gesamtresistivität bei.