Dr. Hans-Jürgen Reyher, Prof. Dr. Ortwin Schirmer, apl. Prof. Dr. Manfred Wöhlecke
l Einordnung:
Optik; ESR (Elektonenspinresonanz); Störstellenspektroskopie; Absorption; Lumineszenz;
l Allgemein:
Datenverarbeitung und Kommunikation mit Licht erfordert die Verwendung sogenannter elektrooptischer Kristalle. In diesen bestimmen Defektzentren die Materialeigenschaften in erheblicher Weise. Daher kommt der Klärung der mikroskopischen Struktur und insbesondere der optischen Eigenschaften dieser Störstellen eine große Bedeutung zu. Gleiches gilt für Materialien, die für Festkörperlaser in Frage kommen. Hier luminiszieren in der Regel Fremdionen, die bei der Zucht in den Wirtskristall eingebaut werden. Das Forschungsprojekt vereint Methoden der optischen Spektroskopie mit solchen der Elektonenspinresonanz, welche üblicherweise isoliert angewendet werden. Diese Verknüpfung erlaubt es, die optischen Spektren auf mikroskopischer Ebene zu deuten. Mit anderen Worten, die atomare Ursache von Absorption und Emission von Licht in den untersuchten Kristallen kann mit ODMR eindeutig identifiziert werden.
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l ODMR schematisch:
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(Sehr) vereinfachte Darstellung des Prinzips der ODMR: Modellstörstelle mit Spin S=1/2; MS=+1/2 und MS=-1/2 in äußerem Magnetfeld energetisch getrennt; relaxierte Zustände sind als scharfe Niveaus, unrelaxierte Zustände als breite Bänder dargestellt; mit l l ist die relative Besetzung der Spin-Unterniveaus angedeutet; wegen Auswahlregeln hängt die Wahrscheinlichkeit (Pfeilstärke) der optischen Übergänge von den MS-Ausgangsniveaus ab; ESR-Übergänge verändern die Besetzung der MS-Niveaus, +1/2 wird stärker, -1/2 schwächer besetzt; dadurch ändern sich die optischen Übergangsraten; diese Änderung der Absorption bzw. Lumineszenz stellt das ODMR-Signal dar. |
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l Der Aufbau schematisch:
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Im Bild links ist der experimentelle Aufbau der Anlage zur Messung der
ODMR durch Absorption skizziert. Das Zentrum des Experimentes bildet der sogenannte Kryostat, welcher nichts weiter als eine besondere Thermoskanne darstellt, die mit flüssigem Helium gefüllt werden kann (Siedepunkt bei Normaldruck 4.2 Kelvin, das sind etwa minus 269° Celsius). In diesem "Topf" befindet sich in der Mitte (unter dem dicken Pfeil) der zu untersuchende Kristall. Die bitterkalte Umgebung erlaubt es, supraleitende Spulen einzusetzen, die in unserem Fall ein Magnetfeld von bis zu 3 Tesla erzeugen können. Das Messlicht entsteht in einer Xenon-Hochdrucklampe (links außen), die es jetzt ja auch bei gewissen Automobilen gibt. Nicht eingezeichnete Linsen leiten das Licht nach rechts. Ein Monochromator filtert eine bestimmte Farbe aus dem Lampenspektrum heraus, dann erzeugt ein Polarisator zusammen mit einem photoelastischen Modulator zirkular polarisiertes Licht. Dieses wird durch Fenster in der Kryostatenwand auf den Kristall fokussiert. Zusätzlich kann der Kristall über einen Umlenkspiegel noch mit intensivem "Anregungslicht" aus einer weiteren Lampe beleuchtet werden, womit photoempfindliche Prozesse ausgelöst werden können. Schließlich wird die Intensität des durchgelassenen Messlichts, also das, was der Kristall nicht absorbiert hat, mit einem hochempfindlichen Lichtdetektor gemessen. |
| Mit der nötigen Elektronik können damit die im vorigen
Abschnitt angedeuteten Absorptionsübergänge aus beiden Spin-Unterniveaus einzeln
nachgewiesen werden. Zur ODMR fehlen jetzt nur noch die Mikrowellen, die die ESR-Übergänge hervorrufen sollen. Diese werden in einem Generator (anderer Art, als der in einem Mikrowellenofen) erzeugt und mittels einem Rohr (sogenannter Hohlleiter) zum Kristall in die Kälte geführt. Die Zufuhr des Mikrowellenfeldes kann durch einen Computergesteuerten Schalter an- und ausgeschaltet werden. Unser zweiter Aufbau zum Nachweis der ODMR durch Lumineszenz sieht im Blockschaltbild recht ähnlich aus. Lediglich der optische Teil ist etwas modifiziert. Die an diesem komplexen Gerät ausgebildeten Studenten gewinnen Einblick in eine Reihe von Techniken, die man sonst selten an einem Experiment vereint sieht: Optik, Polarisationsspektroskopie, Mikrowellentechnik, Vakuumtechnik, Tieftemperaturtechnik, Umgang mit supraleitenden Spulen, Computersteuerung. |
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l Beispiel für ein Forschungsergebnis:
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Al2O3 dotiert mit Titan (Saphir); bedeutender
Festkörperlaser im roten und infraroten Spektralbereich; aktuelle Fragestellung: Kann die
„blaue Lumineszenz" (1985 entdeckt) von Al2O3:Ti auch für
einen Laser verwendet werden? Was ist die Ursache der blauen Lumineszenz ? ODMR zeigt: Die blaue Lumineszenz kommt von der Rekombination eines Elektrons, eingefangen von Ti4+-Ionen, mit einem Loch, eingefangen von einem dem Ti4+ benachbarten Sauerstoffion. Dies ist im nebenstehenden Bild veranschaulicht, welches einen Ausschnitt aus dem Al2O3-Kristall zeigt. Ein Aluminium-Ion ist durch ein Ti4+-Ion ersetzt. Die Sauerstoff-Ionen sind in Dreiecken um die [0001]-Achse angeordnet. Eine Ebene, in der die Sauerstoffdreiecke liegen, ist links angedeutet. Durch Beleuchten mit UV-Licht wird ein Elektron vom Sauerstoff zum Ti4+-Ion geschafft. Der umgekehrte Prozess, die Rekombination führt zur blauen Lumineszenz. |
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