Grüneisen-Parameter

Der Grüneisen-Parameter γ (nach Eduard Grüneisen) beschreibt die Abhängigkeit der Frequenz von Gitterschwingungen (Phononen) in einem Kristall von der relativen Volumenänderung, die ihrerseits von der Temperatur abhängt. Er dient der Beschreibung anharmonischer Effekte in Kristallen, die weder elektrisch leitend noch magnetisch sind.

Beschreibung

In einem einfachen Modell nimmt man an, dass alle Wechselwirkungen in einem Kristall harmonisch sind. Dies beschreibt reale Festkörper nur unzureichend, da diese z. B. eine Volumenausdehnung mit steigender Temperatur zeigen, was von einem solchen harmonischen Modell nicht berücksichtigt wird. Darum führt man Terme höherer Ordnung in das Wechselwirkungs-Potential im Festkörper ein und erhält neue Effekte.

Somit hängt jetzt die relative Schwingungsfrequenzänderung δω/ω eines Phonons bestimmten Impulses und in einem bestimmten Phononenzweig linear von der relativen Volumenausdehnung δV/V ab:

$ {\frac {\delta \omega }{\omega }}=-\gamma \cdot {\frac {\delta V}{V}} $

Dabei ist der dimensionslose Grüneisenparameter γ definiert als:

$ \gamma =-{\frac {\partial (\ln \omega )}{\partial (\ln V)}}=-{\frac {V}{\omega }}\cdot {\frac {\partial \omega }{\partial V}} $

Typische Werte liegen bei Zimmertemperatur zwischen 1 und 2. Dies bedeutet, dass das Volumen und die Phononenfrequenzen sich etwa gleich stark ändern.

Streng genommen muss für jede Mode ein eigener Grüneisenparameter definiert werden. Insbesondere können sich transversale und longitudinale Moden unterscheiden. Allerdings skalieren im Debye- bzw. Einstein-Modell alle Frequenzen mit der sogenannten Debye- bzw. Einstein-Frequenz $ \omega _{D/E} $ und entsprechend gibt es auch nur eine Grüneisenkonstante für alle Moden.

$ \gamma =-{\frac {\partial (\ln \omega _{D/E})}{\partial (\ln V)}}=-{\frac {3B\alpha }{c_{V}}} $

mit $ B $ als Bulk-Modulus, $ c_{V} $ als spezifischer Wärmekapazität bei konstantem Volumen und α dem linearen Ausdehnungskoeffizienten. Dies ist gleichbedeutend mit der Tatsache, dass spezifische Wärme und Ausdehnungskoeffizient eine ähnliche Temperaturabhängigkeit aufweisen. Deshalb ist die Definition eines konstanten Grüneisenparameters sinnvoll.

Eine thermodynamische Ableitung des Grüneisen-Parameters

$ \gamma =V\left({\frac {\partial p}{\partial U}}\right)_{V} $

beschreibt die Änderung des Drucks p mit der inneren Energie U bei konstantem Volumen V. Damit wird der Grüneisen-Parameter direkt messbar. Man kann die innere Energie in einem Bereich des Kristalls bei konstantem Volumen erhöhen, wenn man zum Beispiel mit einem Laserpuls einstrahlt. Dabei wird eine Druckwelle erzeugt, die man dann an der Kristalloberfläche detektiert.

Quellen

• Siegfried Hunklinger: Festkörperphysik. 2 Auflage. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München 2009, ISBN 978-3-486-59045-6.