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Questions and Answers
Was beschreibt die Van-der-Waals-Bindung in Festkörpern?
Welche Aussage über die Energieniveaus in Festkörpern ist korrekt?
Wie hoch sind typischerweise die Bindungsenergien in Festkörpern?
Was resultiert aus der Vernachlässigung der Elektron-Elektron-Wechselwirkung?
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Welche Bindung tritt auf, wenn der Überlapp der atomaren Orbitale maximal ist?
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Was geschieht bei der Laserablation mit Kohlenstoff?
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Welches Element dient als Katalysator bei der Herstellung von Carbon Nanotubes?
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Welche Ausbeute an SWCNT wird bei der beschriebenen Laserablation erreicht?
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Was ist der Abstand zwischen den Kohlenstoffatomen in Graphen?
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Welches Material wird verwendet, um die Kohlenstoffatome in der Chemischen Dampfausscheidung (CVD) abzulegen?
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Welche Anordnung ist bekannt für die Herstellung von graphene/CVD?
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Was ist die Funktion des Trägergasstroms im Laserablation Prozess?
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Welche Laserfrequenz wird für die Laserablation verwendet?
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Welcher der folgenden Werkstoffe hat die höchste Bulk-Bandlücke?
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Was ist die Elektronegativität laut der Pauling-Skala?
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Welches dieser Materialien hat die größte 2D-Monoschicht-Bandlücke?
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Welche Struktur beschreibt die NaCl-Anordnung?
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Was beschreibt die Bindungsenergie eines ionischen Kristalls in Bezug auf die Madelungkonstante?
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Welche der folgenden Aussagen über die Elektronenaffinität ist korrekt?
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Was ist der Bandlückenwert von MoS2 in der 2D-Monolayer-Form?
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Welche der folgenden Materialien hat die niedrigste Ionisierungsenergie?
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Welche Größe hängt von der Hamaker-Konstante ab?
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Welche Höhe beginnt die Wirkung der Van der Waals-Wechselwirkung signifikant zu schwinden?
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Welche Bindungsenergie ist typisch für Wasserstoffbrückenbindungen?
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Was passiert mit dem Elektron des Wasserstoffatoms in einer kovalenten Bindung mit Sauerstoff?
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Welcher Radius ist für die gekrümmte Spitze eines Geckofusses typisch?
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Wie viel Kraft erzeugt eine einzelne Spatula beim Kontakt?
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Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Bandlückenenergie und der Bindungsenergie für Halbleiter und Isolatoren?
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Welches Element ist stark elektronegativ und beeinflusst die Wasserstoffbrückenbindung in Wasser?
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Wie hoch ist der Konturbereich der 2D-Elektrondichte von GaAs auf der (-110) Ebene?
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Was beschreibt die Formel Fs = A R / 6 D^2?
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Welche Wellenfunktionen werden bei der metallischen Bindung am Beispiel von Nickel betrachtet?
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Was beschreibt die Amplitude der Wellenfunktion in der metallischen Bindung?
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Welche Bindungsenergien wurden zur Analyse in Bezug auf Halbleiter und Isolatoren verwendet?
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Was ist der Konturbereich der 2D-Elektrondichte von Silizium auf der (-110) Ebene?
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Welche Aussage zur kinetischen und potentiellen Energie in der metallischen Bindung ist korrekt?
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Welche empirische Näherung verwendete Vijh zur Analyse von Halbleitern und Isolatoren?
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Study Notes
Bindungen in Festkörpern
- Die Gesamtenergie in Festkörpern wird durch Überlappung von atomaren Orbitalen reduziert.
- Der Überlapp ist besonders groß für Valenzelektronen.
- Festkörper sind aus Ionenrümpfen (Cores) und Valenzelektronen aufgebaut.
- Cores bestehen aus positiv geladenen Atomkernen und stark gebundenen Elektronen.
- Cores wechselwirken über Coulomb-Kräfte mit den Valenzelektronen.
- Durch Vernachlässigung der Elektron-Elektron-Wechselwirkung entstehen separierbare Einelektronenprobleme.
- Der Überlapp von Orbitalen mehrerer Atome führt zur Aufspaltung von Energieniveaus und Veränderungen in der Ladungsverteilung.
- Kovalente Bindung bezeichnet eine maximale Ladungsverteilung zwischen Atomen.
- Ionische Bindung bezeichnet Ladungsverteilung, die stärker an den Atomen konzentriert ist.
- Metallische Bindung bewirkt eine gleichmäßige Ladungsverteilung.
- Van-der-Waals-Bindung beschreibt Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen ladungsneutralen Molekülen und trägt mit ca. 10 % zur Bindungsenergie bei.
- Bindungsenergien in Festkörpern betragen ca. 1 bis 10 eV/Atom (100-1000 kJ/Mol).
- Diese Werte können durch Energiezufuhr (thermisch, optisch) bestimmt werden, die Atome aus dem Festkörper entfernt.
Laserablation von Kohlenstoffnanoröhren
- Fester Kohlenstoff wird mit Laserenergie in die Gasphase überführt.
- Kohlenstoff wird mithilfe eines Trägergasstroms zu einem gekühlten Cu-Kollektor transportiert.
- Auf dem Kollektor bilden sich Carbon Nanotubes.
- Cu dient als Katalysator.
- Die Ausbeute an SWCNT beträgt ca. 70%.
Chemical Vapor Deposition (CVD) von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren
- Graphen besteht aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen.
- Der C-C-Abstand in Graphen beträgt 0,142 nm.
- C-C-Abstand auf einer Ni(111) Oberfläche: 0,143 nm.
Ionenbindung in Festkörpern
- NaCl-Struktur (fcc) und CsCl-Struktur (bcc) sind typische Strukturen für ionische Bindungen.
Elektronenaffinität, Ionisationsenergie und Elektronegativität
- Elektronenaffinität (A) beschreibt die Energie, die frei wird, wenn ein Atom ein Elektron aufnimmt.
- Ionisierungsenergie (I) beschreibt die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen.
- Elektronegativität: X = 0.187ꞏ(I +A) + 0.17 (entsprechend der Pauling-Skala)
Bindungsenergie von ionischen Kristallen und Madelungkonstante
- Die Bindungsenergie eines ionischen Kristalls hängt mit der Madelung-Konstante zusammen.
- Die Madelung-Konstante berücksichtigt die Abstände und Ladungen der Ionen.
Korrelation zwischen Bindungsenergie und Bandlückenenergie
- Die Bandlückenenergie (Eg) hängt mit der Bindungsenergie (Es) zusammen.
- Für Halbleiter und Isolatoren mit überwiegend ionischen Bindungen gilt empirisch: Eg = 2 (Es - 2.5 eV).
Metallische Bindung: Beispiel Nickel
- Die Amplitude der 2pz-, 3dz2- und 4s-Wellenfunktion von Nickel ist dargestellt.
- Die Halbwertsbreite der Wellenfunktionen korreliert mit der Entfernung zu den nächsten Nachbarn.
Metallische Bindung: Kinetische und Potenzielle Energie
- Die Beiträge der kinetischen und potenziellen Energie zur metallischen Bindung sind gegen den Abstand aufgetragen.
Van-der-Waals-Wechselwirkung in Gecko-Setae (Borsten, Haare)
- Gecko-Setae generieren Adhäsionskräfte durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen.
- Die Kraft Fs pro Setae ist etwa 0,4 N.
- Fs = A R / 6 D2
- A: Hamaker-Konstante (materialabhängig, ca. 10-19 J)
- R: Radius des gekrümmten Segments der Setae (ca. 2 m)
- D: Abstand zur Oberfläche, unterhalb dessen die Van-der-Waals-Wechselwirkung zu schwach wird (ca. 0,3 nm)
Wasserstoffbrückenbindung
- Wasserstoffbrückenbindungen entstehen zwischen einem Wasserstoff- und einem stark elektronegativen Atom, z. B. Sauerstoff.
- Das Wasserstoffatom gibt sein Elektron fast vollständig ab und erhält eine positive Ladung.
- Diese positive Ladung bindet an ein negativ geladenes Ion oder Atom.
- Typische Bindungsenergien liegen im Bereich von 0,1 bis 0,5 eV.
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Description
Dieses Quiz behandelt die verschiedenen Bindungsarten in Festkörpern, einschließlich kovalenter, ionischer, metallischer und Van-der-Waals-Bindungen. Zudem wird die Rolle von atomaren Orbitalen und Coulomb-Kräften in der Energieinteraktion thematisiert. Teste dein Wissen über die Struktur und Wechselwirkungen von Festkörpern!