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| FAX: 0541-9693512 | Translate | Tel: 0541 969 und |
| Leitung: | Prof. Dr. Ortwin F. Schirmer | 2630 |
| Mitarbeiter: | Dr. Galina Malovichko Prof. Dr. Valentin Grachev apl. Prof. Dr. Manfred Wöhlecke Dr. Hans-J. Reyher Priv. Doz. Dr. Hansjörg Donnerberg Dipl. Ing. Wilhelm Koslowski |
2718 2622 2631 2628 2638 2637 |
| Doktoranden: | Martin Meyer Michael Pape Christophe Veber |
2614 2616 2614 |
| Diplomanden: | Jan Wykhoff (ab 1.2.2002) |
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Fremde Atome können farblos transparenten Kristallen brilliante
Farben verleihen. Links sind einige Edelsteine aus Aluminiumoxid (Al2O3) zu sehen, bei denen wenige Aluminiumionen durch andere Ionen ersetzt sind:
Blaue Kristalle (Saphir) werden durch Titan- und Eisen-Fremdionen erzeugt; der rote Rubin
enthält ebenso wie die rosafarbenen Kristalle einige Chrom - Ionen. In den orangen
Kristallen ist Chrom und Eisen enthalten. Das Potential von Störstellen in oxidischen Kristallen erschöpft sich jedoch nicht darin, schöne Farben zu bewirken. Vielmehr sind sie für zahlreiche weitere günstige Eigenschaften verantwortlich. Bisher bekannt sind u.a. die Erzeugung von Supraleitung, die Sensibilisierung für den photorefraktiven Effekt oder die Herstellung von Laserkristallen durch Einbau von geeigneten Störstellen in die jeweiligen Materialien. Die Situation ist ähnlich wie bei den bekannten Halbleitern, wie z.B. Silizium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs). Erst nach Dotieren mit Fremdionen (Donatoren und/oder Akzeptoren) lassen sich mit diesen Materialien die Bauelemente herstellen, mit denen z.B. Computer oder Solargeneratoren zu realisieren sind. |
Die Prinzipien der Halbleiterphysik bilden die Leitlinien bei der Suche nach den jeweils geeignetsten Störstellen in oxidischen Materialien. Jedoch zeigen solche Kristalle neue Phänomene, die über die bei den gängigen Halbleitern bekannten hinausgehen. In erster Linie ist die weit stärkere Kopplung von Elektronen mit dem Wirtskristall zu nennen. Freie Elektronen sind mit der begleitenden Gitterverzerrung zu Polaronen verkoppelt, und je zwei von ihnen können sich zu Bipolaronen verbinden. Gegenwärtig wird intensiv diskutiert, ob diese bosonenartigen Gebilde die Ursache für Hochtemperatur-Supraleitung sein können.
Zusammen mit der Vielzahl bekannter und denkbarer oxidischer Kristalle bildet die Untersuchung von Störstellen darin ein Gebiet mit reicher Physik und attraktiven Resultaten (Publikationen) .
Die Abteilung „Magnetische Resonanzspektroskopie" beschäftigt sich systematisch mit der Wirkung des Einbaus von solchen Störstellen auf die optischen und elektrischen Eigenschaften von oxidischen Kristallen. Ziele sind u.a. die Entwicklung optimierter photorefraktiver Kristalle - im Rahmen des Sonderforschungsbereiches „Oxidische Kristalle für elektro- und magnetooptische Anwendungen", gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft. Weiter sind wir intensiv damit befaßt, die Rolle der Phasenseparation beim Auftreten der Hochtemperatur-Supraleitung aufzuklären und die Lumineszenzeigenschaften von Laserkristallen in den Griff zu bekommen.
Je genauer man ein physikalisches System kennt, um so mehr weiß man, wie man damit umgehen muß, um es optimal nutzen zu können. Die genaueste Information über Störstellen in Kristallen ist aus Studien ihrer Elektronen-Paramagnetischen Resonanz (EPR) zu gewinnen. Ungepaarte Elektronen an einer Störstelle sammeln auf ihren „Bahnen" die Einflüsse des umgebenden Kristalls sowie des Kerns und der übrigen Elektronen des eigenen Atoms auf. Ein äußeres Magnetfeld bildet dabei eine Referenzrichtung. Die in der Energie des Elektrons enthaltene Information kann durch Absorption elektromagnetischer Strahlung (meist im Mikrowellengebiet) abgerufen werden. Insbesondere im Zusammenhang mit der Elektronen-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) lassen sich auf diese Weise die eingehendsten Abbilder von Störstellenstrukturen auf atomarem Niveau gewinnen. Die Computerprogramme von V. G. Grachev helfen bei der Interpretation der experimentellen Spektren von ESR und ENDOR.
Hergeleitet von diesen Verfahren ist die Optisch detektierte magnetische Resonanz (ODMR). Hiermit ist es möglich, die von einer Störstelle verursachte optische Absorption oder Lumineszenz als „Zeiger" zu nutzen, der die magnetische Resonanz und damit die atomistische Struktur der betreffenden Störstelle nachweist.
All diese magnetischen Resonanz-Verfahren erfordern jedoch als Mindestvoraussetzung, daß die Störstellen paramagnetisch sind. Auf diese Weise ist nur ein Teil der denkbaren Störstellen und ihrer Ladungszustände zugänglich. Wir haben kürzlich ein Verfahren entwickelt, mit dem auch EPR - stumme Störstellen identifiziert werden können, die EPR-optische Simultanspektroskopie. Damit und mit den zusätzlich genutzten Verfahren, optische Absorption, Leitfähigkeit, Photoleitfähigkeit etc., steht uns ein Potential zur Verfügung, mit dem viele defektabhängige Phänomene in oxidischen Materialien aufgeklärt werden konnten.
Die bisher geschilderten experimentellen Untersuchungen werden ergänzt und erweitert durch theoretische Simulation von Störstellen. Dabei werden nach Vorgabe weniger Parameter die Prinzipien der Quantenmechanik benutzt, um Defektstrukturen rechnend nachzuvollziehen. Damit erschließt sich ein riesiges Gebiet denkbarer Strukturen, während die Experimentalphysik immer an die durch die Natur realisierbaren Gegenstände gebunden ist. Die theoretische Simulation kann Interpretationen von experimentellen Ergebnissen nachprüfen und auf dieser Basis in Neuland interessanter - auch anwendbarer - Gegenstände führen.
