Arbeitsgruppe Elektronenspektroskopie

Röntgenbeugung (M. Merz)

Zur Charakterisierung von Proben aus kristallinen Materialien betreibt das IQMT hausintern ein Röntgenlabor mit einer Reihe von Röntgen-Diffraktometern:

• Ein Bildplatten-Einkristall-Diffraktometer STOE IPDS 2T erlaubt eine sehr genaue und detaillierte Bestimmung von Gitterparametern, Atompositionen, Bindungslängen, Dotierungskonzentrationen oder strukturellen/nematischen Phasenübergängen im Temperaturbereich zwischen 80 K und 400 K.
• In einem weiteren Bildplattensystem, das mit einem Heatstream ausgestattet ist und in Zusammenarbeit mit dem INT betrieben wird, können Einkristallmessungen bis 1100 K durchgeführt werden.
• Eine vollständig motorisierte PHOTONIC SCIENCE Laue-Apparatur mit Rückstreu-Geometrie wird für die hochgenaue Ausrichtung (~ 0.1°) von Einkristallen eingesetzt.
• Für Transmissionsmessungen in Pseudo-Guinier-Geometrie mit reiner Mo-K_α,1-Strahlung steht ein STOE-Stadi-P-Pulverdiffraktometer mit primärseitigem Ge(111)-Monochromator und ortsauflösendem Detektor zur Verfügung.
• Darüber hinaus steht ein modulares Drehanoden-System RIGAKU Smartlab 9 kW mit sowohl Cu- als auch Mo-Strahlung zur Messung von Pulver- und Filmproben zur Verfügung. Für hochauflösende Messungen in Bragg-Brentano-Geometrie besitzt das System einen Ge(111)-Johansson-Monochromator. Des Weiteren existieren alle optischen Komponenten (parabolische und elliptische Röntgenspiegel sowie Doppelmonochromatoren), um das Gerät in hochauflösender Parallelstrahl- oder fokusierender Geometrie zu betreiben. Messungen können für Flachpräparate bis hinunter zu ~ 10 K durchgeführt werden, für Flachpräparate und Kapillaren bis hoch zu ~ 1500 K. Ein Probenwechsler erlaubt das Messen von 10 Proben in Folge. Für Messungen an dünnen Schichten kann eine Euler-Wiege eingesetzt werden. Je nach Anwendung kann ein ortsauflösender Si-HPC- oder ein Si-Streifen-Detektor zum Einsatz kommen.

Links oben: Bildplatten-System STOE IPDS 2T zum Messen von Einkristallen im Bereich 80 bis 400 K. Links unten: PHOTONIC SCIENCE Laue-Apparatur zur hochpräzisen Ausrichtung von Einkristallen. Rechts: Damit aufgenommene Diffraktions-Bilder.

Hochauflösendes RIGAKU Smartlab 9 kW zum Messen von Pulvern im Temperaturbereich von ~ 10 is 1500 K mit oben eingeblendeter Diffraktions-Aufnahme. Unten links: STOE Stadi-P für Transmissionsmessungen an Pulverproben.

Kobaltate

Für viele Übergangsmetall-Oxide führt das verwickelte Zusammenspiel von Ladungs-, Spin-, Orbital- und Gitter-Freiheitsgraden zu ungewöhnlichen elektronischen und magnetischen Phänomen wie z.B. Hochtemperatur-Supraleitung, kolossalem Magnetwiderstand oder komplexer magnetischer Orbitalordnung. Im Fall der Kobaltate stellt der Spin-Zustand einen zusätzlichen Freiheitsgrad dar, der von einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Kristallfeld-Aufspaltung, also der Energieaufspaltung zwischen t_2g- und e_g-Orbitalen, und der mit den Hund’schen Regeln in Verbindung gebrachten Austauschwechselwirkung abhängt.

Vergleich der bei 300 K gemessenen Co-L2,3-NEXAFS-Spektren von La2CoO4, La1.5Ca0.5CoO4, LaCaCoO4 und La0.5Ca1.5CoO4 (links) mit simulierten Spektren von La2CoO4, La1.5Ca0.5CoO4, LaCaCoO4 und La0.5Ca1.5CoO4 (rechts). Diese werden durch Anpassung von Co-2p-XAS-Multiplett-Rechnungen für verschiedene Co-Valenz- und Spin-Zustände erzeugt (untere Kurven in der rechten Abbildung; LS: low spin, IS: intermediate spin, HS: high spin): Co3+ LS, Co3+ HS, Co3+ IS, Co2+ HS und Co4+ HS. Simulierte Spektren von La2CoO4, La1.5Ca0.5CoO4, LaCaCoO4 und La0.5Ca1.5CoO4 werden im oberen Teil der rechten Abbildung gezeigt. Zur Übersicht sind die Spektren für die verschiedenen Konfiguration vertikal versetzt.

Manganate

Das Phänomen der Ladungsordnung ("Charge Ordering", "CO") in Manganoxid-Perovskiten hat seine Ursache in der starken Coulomb-Wechselwirkung zwischen den atomaren Mangan-d-Elektronen-Orbitalen, die die kinetische Energie der Ladungsträger deutlich übertrifft. Dies ist die Ursache des bei diesen Materialien beobachteten kolossalen Magnetwiderstands ("Colossal MagnetoResistance", "CMR"): Der bei Dotierung mit Ladungsträgern auftretende Übergang von der antiferromagnetischen isolierenden (AFMI) in die ferromagnetische metallische (FMM) Phase wird bei vielen CMR-Materialien durch die Ausbildung einer Ladungsordnung unterdrückt, insbesondere bei kommensurablen Bruchwerten der Ladungsträger-Konzentration wie 1/8, 1/3 oder 1/2. Bei diesen kritischen Dotierungen führen dann bereits geringe Störungen durch äußere Magnetfelder zu einem Übergang von der isolierenden Ladungsordnungs- in die metallische ferromagnetische Phase und damit zum CMR-Effekt.

Fe-basierte Supraleiter

Supraleitung in Fe-basierten Materialien entsteht - wie in Schwerfermion- und Kuprat-Hochtemperatur-Supraleitern - im Umfeld einer magnetischen Instabilität. Strukturelles Grundelement sind hier über die Kanten verbundene Fe(As/Se)₄-Tetraeder. Vieles deutet darauf hin, dass unterschiedliche Nesting-Eigenschaften der Fermi-Flächen die bei diesen Materialien beobachteten magnetischen Eigenschaften, die Ausbildung einer Spin-Dichte-Welle und antiferromagnetische Ordnung bei tiefen Temperaturen, und auch die Supraleitung verursachen.
In unseren Untersuchungen konnten wir zeigen, dass bei Co-dotierten Fe-Pniktiden nicht die Dotierung der Fe-3d-Zustände mit Ladungsträgern sondern die durch die Co-Substitution hervorgerufene Veränderung der Topologie der Fermi-Fläche die Supraleitung bewirkt.

Vergleich der bei 300 K (a) im senkrechten und (b) im streifenden Einfall gemessenen Fe-L2,3-NEXAFS-Spektren von Sr(Fe1-xCox)2As2 (x = 0, 0.05, 0.11, 0.17 und 0.38; zur besseren Übersicht sind die Spektren vertikal versetzt dargestellt). Die Dotierung zeigt bei beiden Kanten keinerlei Auswirkungen. Die Multiplett-Rechnungen zeigen, dass die Spektren gut durch tetraedrisch koordiniertes Fe2+ beschrieben werden. Abbildung (a) zeigt als oberste Kurve das Spektrum einer durch Oxidation degradierten Probe und die durch die Fe-Oxidation bewirkte Veränderung.

Zusammenarbeit mit externen Arbeitsgruppen

Im Rahmen der Vergabe von Strahlzeit von ANKA an externe Benutzer arbeiten wir mit vielen externen Gruppen zusammen, die bei WERA Experimente durchführen. Gemeinsames Interessengebiet sind bei vielen solchen Projekten Magnetismus und Supraleitung.