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Gewisse Kristalle und andere Substanzen zeigen unter inhomogener Lichtbestrahlung eine lokale Veränderung des Brechungsindex. Diese Veränderungen können nach Abschalten des Lichtes bestehen bleiben, das heißt, das inhomogene Lichtmuster ist gespeichert worden. Damit ist plausibel, daß sich damit Hologramme speichern lassen. Daneben gibt es aber viele andere interessante Anwendungen die durch den photorefraktiven Effekt möglich werden. Hervorragende Auskunft dazu gibt der Übersichtsartikel von S.I. Stepanow in Rep. Prog. Phys. 1994, Seiten 39 - 116 (Für unsere Studenten: Diese Zeitschrift ist in unserer Bibliothek im AVZ zu finden).
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Elektronen in einem Festkörper können (quasi-) frei beweglich sein, man spricht von Leitungselektronen. Bewegt sich solch ein Leitungselektron durch einen Kristall so polarisiert seine elektrische Ladung die nähere Umgebung. Das sich bewegende Elektron schafft sich damit selbst eine Potentialmulde. In dieser Mulde kann es sich nun niederlassen, man sagt, es wird lokalisiert, es ist also kein freies Elektron mehr. Das Gebilde bestehend aus der lokalen Polarisation und dem Elektron wird Polaron genannt und man unterscheidet je nach seiner räumlicher Ausdehnung zwischen großen und kleinen Polaronen. Erstere können sich im Kristall bewegen und stellen die "klassischen" Polaronen dar, wie sie in jedem Lehrbuch zur Festkörperphysik meist im Zusammenhang mit Halbleitern beschrieben sind. Kleine Polaronen sind lokal gebunden, das Elektron verteilt sich auf nicht viel mehr Raum als ein Ion und dessen nächste Umgebung.
Über die Grundzüge des Phänomens der Supraleitung informiert jedes Lehrbuch zur Festkörperphysik. Daraus kann man schließen, daß es sich dabei um eine wohlbekannte Erscheinung handelt. Viel Aufregung und auch viel Verwirrung herrscht jedoch im Zusammenhang mit der Hochtemperatur-Supraleitung, obwohl das Phänomen an sich dort das gleiche ist. Die späteren Nobelpreisträger Bednorz und Müller haben 1986 in der Zeitschrift für Physik (Band B64, Seiten 189ff) über die Entdeckung von Supraleitung bei 36 Kelvin in (LaBa)2CuO4 berichtet. Dies war der entscheidende Sprung zu höheren Übergangstemperaturen TC (unterhalb denen die Supraleitung einsetzt), denn vorher war in den mehr 70 Jahren seit der Entdeckung der Supraleitung lediglich ein Material mit TC von ungefähr 25K gefunden worden. Damit entstand die Hoffnung, nun auch weitere, ähnliche Materialien mit noch höherem TC zu finden, so daß die Kühlung mit flüssigem Helium durch eine technisch weniger aufwendige ersetzt werden und der breite Einsatz der Supraleitung unsere technische Welt revolutionieren wird. In der Tat wurde auch schon zwei Jahre später ein Oxid mit TC = 92 Kelvin entdeckt, was jetzt Supraleitung bei relativ einfacher Kühlung mit flüssigem Stickstoff erlaubt. Wichtig ist auch, daß mit dem hohen TC ein hohes kritisches Magnetfeld verbunden ist, ab dem die Supraleitung zusammenbricht. Mit Hochtemperatur-Supraleitern sollte sich also ein völlig neues Gebiet für Elektromagnete eröffnen (Magnetschwebebahn). Gelänge es ein Material mit TC bei Raumtemperatur zu entwickeln, so ergäbe sich ein gewaltiges Marktpotential. Entsprechend groß sind die Anstrengungen, den bis heute noch unverstandenen Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung zu klären, um somit gezielt zu neuen Materialien mit hohem TC zu gelangen. Hieran arbeitet auch unsere Gruppe.
Näheres finden Sie demnächst hier.
Im Gegensatz zu Gaslasern finden hier die optischen Übergänge zwischen Niveaus von geeigneten Störstellen in ebenfalls geeigneten Wirtskristallen statt. Die vielleicht bekanntesten Beispiele sind der Neodym-YAG-Laser (Nd3+-Ionen im Yttrium-Aluminium-Granat Y3Al5O12) oder der Rubin-Laser (Cr3+-Ionen in Korund Al2O3).
Ionen oder Radikale in einer beliebigen Matrix (z.B. ein Kristall) können entsprechend ihrer elektronischen Struktur paramagnetisch sein. Man sagt: "Das Ion hat einen Spin." Mit dem Spin ist ein magnetisches Moment verknüpft, was zur energetischen Aufspaltung der Spin-Unterniveaus in einem äußeren Magnetfeld führt. Bestrahlt man das Ion mit Mikrowellen, deren Quantenenergie beim eingestellten Magnetfeld gleich dieser Aufspaltung ist, so kann Resonanzabsorption stattfinden. Diese kann mit einem sogenannten EPR-Spektrometer detektiert werden. Es handelt sich dabei in der Regel um aufwendige kommerzielle Geräte, die in der Physik, Chemie, Biologie, Medizin usw. in Forschungsinstituten und in der Industrie weit verbreitet sind.
Unsere Spektrometer werden demnächst hier dargestellt.
Man nehme einen EPR-Spektrometer (siehe oben) und fahre mit dem Magnetfeld auf einen Wert innerhalb der Resonanzkurve eines paramagnetischen Zentrums. Das Feld wird nun festgehalten und das EPR-Signal bleibt zeitlich konstant, sofern der Apparat ausreichend stabil ist. Bestrahlt man nun zusätzlich zum Mikrowellenfeld den Kristall mit Radiowellen (kHz- bis MHz-Bereich), so kann man unter gewissen Bedingungen Änderungen des EPR-Signals beobachten. Diese Änderungen hängen resonanzartig von der Frequenz der Radiowellen ab. Sie sind auf Übergänge innerhalb von Kernspinniveaus des EPR-aktiven Ions und seiner Nachbarn zurückzuführen. Man hat also Doppelresonanz vorliegen: Zum einen beobachtetet man ja die EPR eines Ions, zum anderen Kernresonanzübergänge. Insbesondere Kernresonanzübergänge bei den Nachbar-Ionen geben in raffinierter Weise Auskunft über den Einbauplatz des EPR-aktiven Ions und viele weitere Eigenschaften. Die Methode ist ausgezeichnet beschrieben in "Structural analysis of point defects in solids : an introduction to multiple magnetic resonance spectroscopy " von Johann-Martin Spaeth, Juergen R. Niklas, Ralph H. Bartram, Springer, 1992. Wenn das Buch in der Bibliothek ausgeliehen ist, so lohnt sich in unserer Gruppe danach zu fragen.
Unser ENDOR-Spektrometer wird demnächst hier dargestellt.
Bei dieser Methode wird die EPR von Störstellen in einer Matrix (z.B. Kristall) durch Licht, also optisch nachgewiesen. Dies kann durch die Polarisationseigenschaften der Absorption und durch die Lumineszenz geschehen. Folglich lassen sich mit dieser Methode die optischen Banden von Störstellen mit deren EPR-Eigenschaften verknüpfen, man kann daher so eindeutige Aussagen treffen, wie "Diese Absorptionsbande wird von dem Komplex 'Fe3+ mit einem extra Sauerstoff-Ion' verursacht".
Näheres finden Sie hier.
Beleuchtet man einen optisch empfindlichen Kristall mit Licht, so werden Störstellen umgeladen. Zum Beispiel kann man auf diese Weise Fe2+-Ionen zu Fe3+-Ionen machen. Fe2+-Ionen absorbieren sichtbares Licht, Fe3+-Ionen nicht. Umgekehrt zeigt Fe3+ EPR-Signale und Fe2+ nicht. Bei Beleuchtung wird man also eine Entfärbung eines geeigneten eisenhaltigen Kristalls feststellen und gleichzeitig das Auftauchen des charakteristischen Fe3+-EPR-Signals. Unser selbst entwickeltes Simultanspektrometer kann automatisch beide Erscheinungen (quasi-)gleichzeitig messen. Damit lassen sich Änderungen der Absorption mit dem Entstehen oder Verschwinden von EPR-Signalen korrelieren. Mit etwas Denkleistung und Erfahrung kann man somit Absorptionsbanden bestimmten Ionen zuordnen, und zwar auch von solchen Ionen die man in der EPR-Spektroskopie gar nicht sehen kann, wie das angeführte Beispiel verdeutlicht.
Das Spektrometer wird hier vorgestellt, eine Bedienungsanleitung zum Versuchsaufbau ist ebenfalls verfügbar.
Die optische Absorption wird bekanntlich durch das Lambertsche Gesetz beschrieben, welches die durch eine Substanz hindurchgelassene Lichtintensität I als Funktion der auftreffenden Intensität I0 und der Eigenschaften der betreffenden Substanz beschreibt: I = I0 exp(-a/d). Dabei ist a der sogenannte Absorptionskoeffizient und d die Länge des Lichtweges in der Substanz, also beispielsweise die Dicke einer Kristall-Scheibe. Der Koeffizient a hängt nun im allgemeinen mehr oder weniger stark von der Wellenlänge l des Lichtes ab. Die Funktion a(l) wird üblicherweise Absorptionsspektrum genannt. Es ist häufig charakteristisch für die untersuchte Substanz, weshalb Absorptionsmessungen in großem Umfang in Industrie und Forschung (immer mehr ein Gegensatz!) durchgeführt werden. Entsprechend werden viele kommerzielle Spektrometer angeboten. Über den Aufbau eines solchen Zweistrahl-Spektrometers und die prinzipielle Schwierigkeit einer Absorptionsmessung informiert Sie
demnächst diese Seite.
Versieht man einen Kristall mit elektrischen Kontakten, so kann im Prinzip der elektrische Widerstand oder dessen Kehrwert, die Leitfähigkeit gemessen werden. Diese beschreibt wie schwer oder wie leicht der Ladungstransport bei angelegtem elektrischen Feld vonstatten geht. Wird dies unter Beleuchtung durchgeführt, so mißt man neben der Dunkelleitfähigkeit den zusätzlichen Einfuß von Photoelektronen und -löchern, eben die Photoleitfähigkeit. Es ist klar, daß die Messung der (Photo-)Leitfähigkeit von großem Nutzen ist bei der Untersuchung des photorefraktiven Effektes, da dort Ladungstransport eine entscheidende Rolle spielt. Aber auch in vielen anderen Systemen, allem voran bei Supraleitern, kann durch Messung der Leitfähigkeit viel Information gewonnen werden, insbesondere wenn man dies bei verschiedenen Temperaturen durchführt. Messungen mit Wechselstrombrücken ("moderne Wheatstonesche Brücken") erzielen weitere wertvolle Information dadurch, daß sie über einen weiten Frequenzbereich arbeiten können und somit die "Antwortzeiten" der untersuchten Ladungsträger abtasten können.
Näheres wird demnächst hier beschrieben.
Forschungen in diesem Bereich sind vorrangig der Simulation von Defektstrukturen in photorefraktiven Oxiden gewidmet. Prominente Beispiele für solche Materialien, die in aller Regel eine recht komplexe Kristallstruktur aufweisen, sind ferroelektrische ABO3-Oxide mit Perowskitstruktur. Aufgrund der vorherrschenden ionokovalenten Bindungsverhältnisse sind alle wichtigen Defekteigenschaften (angefangen bei den Defektbildungsenergien bis hin zu den detaillierten elektronischen Eigenschaften) sehr stark abhängig von defektinduzierten Gitterdeformationen. Entsprechende Effekte müssen mit Hinblick auf realistische Simulationen berücksichtigt werden.
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