Forschung mit Synchrotronstrahlung
Synchrotronstrahlung wird von uns genutzt als hochbrillante Quelle für Untersuchungen der Kristallstruktur, elektronischer und magnetischer Eigenschaften mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie. Neben der anwendungsorientierten Grundlagenforschung sind wir auch in der Weiterentwicklung verschiedener Analysemethoden aktiv. Ein Großteil der Experimente wurde dabei am Elektronenspeicherring BESSY II des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) durchgeführt - nur 4 S-Bahn-Stationen von unserem Campus entfernt in Berlin-Adlershof.
Diese Seite befindet sich noch im Aufbau. In Kürze wird es an dieser Stelle mehr Infos zum Thema Synchrotronstrahlung und Beispiele unserer Forschung geben.
EXAFS: Kantenferne Röntgenabsorptions-FeinstrukturBereich öffnenBereich schließen
Die Analyse der kantenfernen Röntgenabsorptionsfeinstruktur (EXAFS) ist eine Methode zur Untersuchung der lokalen Umgebung eines absorbierenden Elements. In einem einfachen Bild basiert das EXAFS-Signal auf der Interferenz zwischen dem ausgehenden, durch Röntgenabsorption angeregten Photoelektron und von benachbarten Atomen zurückgestreuten Wellen. Die Frequenz der EXAFS-Oszillationen hängt hauptsächlich vom Abstand der nächstgelegenen Atome ab, während die Hüllkurve Informationen über das chemische Element und die Koordinationszahl enthält.
Die Analyse von EXAFS-Daten kann mit einer Standard-Fourier-Analyse durchgeführt werden, z. B. mit der Artemis-Software, die auf den FEFFIT-Programmen basiert. Nach der Definition der Struktur wird das EXAFS-Signal für verschiedene Streupfade berechnet, aufsummiert und mit den experimentellen Daten verglichen.
Diese Analyse kann durch Wavelet-Transformation der EXAFS-Oszillationen ergänzt werden. Die Wavelet-Transformation hat eine hohe Auflösung sowohl im Realraum als auch im reziproken Raum und macht die Beiträge zum EXAFS-Signal von verschiedenen Rückstreuelementen ohne weitere Datenverarbeitung sichtbar. Wir haben das AGU-Vallen Wavelet-Paket verwendet, das von der Vallen Systeme GmbH, der Aoyama Gakuin University (AGU), Tokio, und der University of Denver ursprünglich für die Analyse von Schallemissionen entwickelt wurde.
Ausgewählte Publikationen:
C. Antoniak, Beilstein J. Nanotechn. 2, 237 (2011)
C. Antoniak et al., Phys. Rev. B 78, 0401406(R) (2008)
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XANES: Kantennahe Röntgenabsorptions-FeinstrukturBereich öffnenBereich schließen
Bei der Röntgenabsorptionsspektroskopie wird ein Rumpf-Elektron in einen höheren unbesetzten Zustand angeregt, wenn die Photonenenergie mit der für den erlaubten Übergang benötigten Energie übereinstimmt. Diese sogenannten Absorptionskanten sind elementspezifisch und hängen auch von der chemischen Umgebung ab. Die Absorptionsintensität ist ein Maß für die Anzahl der unbesetzten Endzustände und die Form des Absorptionssignals im kantennahen Bereich enthält Informationen über die energieabhängige Dichte der unbesetzten Zustände.
Die Absorption kann bei dünnen Proben entweder in Transmission, durch Messung der Fluoreszenzausbeute oder der Gesamtelektronenausbeute durch Erfassung des Probenstroms gemessen werden. Wir konnten zeigen, dass es sogar möglich ist, XANES-Signale mit weicher Röntgenstrahlung von Nanopartikeln in einem organischen Lösungsmittel zu erhalten.
Oft ist es hilfreich, experimentelle Daten mit simulierten Absorptionsspektren zu vergleichen, um z. B. den Ursprung von spektralen Features aufzudecken. Im Falle von Metall-Ionen liefert die auf einer Hartree-Fock-Methode basierende CTM4XAS-Software zuverlässige Ergebnisse. Für eine detailliertere Analyse wird die Quanty-Software verwendet. Für andere (metallische) Systeme werden Bandstrukturberechnungen z.B. mit der spinpolarisierten relativistischen Korringa-Kohn-Rostoker(SPR-KKR)-Methode durchgeführt. Während Berechnungen für Materialien mit hoher Symmetrie auf einem gewöhnlichen Büro-PC durchgeführt werden können, haben wir Unterstützung von Theorie-Gruppen bei Berechnungen z. B. für Cluster oder andere große Systeme mit niedriger Symmetrie.
Ausgewählte Publikationen:
C. Schmitz-Antoniak, Rep. Progr. Phys. 78, 062501 (2015)
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XMCD: Magnetischer Röntgen-ZirkulardichroismusBereich öffnenBereich schließen
Bei der Absorption zirkular polarisierter Röntgenstrahlung sind die angeregten Elektronen aus Rumpfniveaus sowohl hinsichtlich ihres Drehimpulses als auch ihres Spins polarisiert. Bei umgekehrter Polarisation der Röntgenstrahlen kehren sich auch diese Polarisationen um. In einem einfachen 2-Stufen-Modell wird die Spinpolarisation der unbesetzten Endzustände durch die spinpolarisierten angeregten Elektronen abgefragt. Bei übereinstimmender Polarisation tritt eine hohe Absorptionsintensität auf und ansonsten eine geringe Absorptionsintensität. Dieser Unterschied wird magnetischer Röntgen-Zirkulardichroismus genannt. Die Größe des XMCD ist proportional zur Spinpolarisation der unbesetzten Endzustände (=Magnetisierung) und kann zur Bestimmung von Spin- und Bahnmomenten verwendet werden.
Zudem konnten wir zeigen, dass XMCD ein nützliches Instrument zur Beobachtung von Phasenübergängen ist, die mit Änderungen der Asphärizität der Spindichteverteilung verbunden sind. Wie bei XANES ist ein Vergleich von experimentellen Daten mit simulierten Absorptionsspektren nützlich, um den den physikalischen Hintergrund zu den experimentellen Ergebnissen zu verstehen.
Ausgewählte Publikationen:
X(M)LD: (Magnetischer) Röntgen-LineardichroismusBereich öffnenBereich schließen
Bei der Messung der Röntgenabsorption von linear polarisiertem Licht bei verschiedenen Einfallswinkeln wird der elektrische Feldvektor der Röntgenstrahlen wie ein Suchscheinwerfer für die maximalen und minimalen unbesetzten Zustände verwenden. Liegt der elektrische Feldvektor entlang einer Richtung mit hoher Dichte unbesetzter Zustände, ist die Absorption hoch. Liegt der elektrische Feldvektor entlang einer Richtung mit geringer Dichte unbesetzter Zustände, ist die Absorption gering. So kann man mit XLD Anisotropien in der Ladungsdichte untersuchen, die aus der Kristallstruktur (natürlicher linearer Röntgendichroismus, XLD oder XNLD) oder der magnetischen Ordnung (magnetischer Röntgen-Lineardichroismus, XMLD) resultieren.