Techniklexikon

Strukturumwandlung

Festkörperphysik, »struktureller Phasenübergang«, Übergang eines Kristalls von einer Kristallstruktur zu einer anderen, wenn Druck oder Temperatur verändert werden. Im allgemeinen hat eine bestimmte stabile Struktur A am absoluten Nullpunkt die geringste innere Energie aller möglichen Strukturen. Bei Anwendung eines äusseren Drucks kann sogar diese Struktur A verändert werden, weil ein geringeres atomares Volumen dichtest gepackte oder sogar metallische Strukturen begünstigt. So werden z.B. Wasserstoff und Xenon unter extremem Druck metallisch. Eine andere Struktur B kann ein Phononenspektrum mit weicheren Moden oder niedrigerer Frequenz als A haben. Wenn die Temperatur erhöht wird, werden die Phononen in B stärker als in A angeregt (höhere mittlere thermische Besetzungen). Weil die Entropie mit der Besetzung steigt, wird die Entropie von B grösser als die Entropie von A sein, wenn die Temperatur erhöht wird. Deshalb ist es für eine stabile Struktur möglich, bei Erhöhung der Temperatur von A zu B überzugehen. Die stabile Struktur bei einer Temperatur T wird durch das Minimum der freien Energie F = U - TS bestimmt. Es wird einen Übergang von A nach B geben, wenn es eine Temperatur T_c gibt (unterhalb des Schmelzpunktes), für die gilt F_A(T_c) = F_B(T_c).

Oft haben verschiedene Strukturen am absoluten Nullpunkt nahezu dieselbe innere Energie. Die Phononendispersionsbeziehungen für die Strukturen können jedoch sehr unterschiedlich sein, da die Phononenenergien gegenüber der Zahl und der Anordnung benachbarter Atome (die Grössen, die sich bei einer Strukturumwandlung ändern) empfindlich sind.