New regularization method for EXAFS analysis: Application to uranium and plutonium sorption onto kaolinite

Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy) ist eine wichtige Methode zur Speziation von Schwermetallen in einem weiten Bereich von umweltrelevanten Systemen. Um Strukturparameter wie Koordinationszahl, Atomabstand und Debye-Waller Faktoren für die nächsten Nachbarn eines absorbierenden Atoms zu bestimmen, ist es für experimentelle EXAFS-Spektren üblich, unter Verwendung von Modellstrukturen einen „Least-Squares-Fit“ durchzuführen. Oft können verschiedene Modellstrukturen mit völlig unterschiedlicher chemischer Bedeutung die experimentellen EXAFS-Daten gleich gut beschreiben. Als gute Alternative zum konventionellen Kurven-Fit bietet sich das modifizierte Tikhonov-Regularisationsverfahren an. Ergänzend zur Tikhonov-Standardvariationsmethode enthält der in dieser Arbeit vorgestellte Algorithmus zwei weitere Schritte, nämlich die Anwendung des „Method of Separating Functionals“ und ein Iterationsverfahren mit Filtration im realen Raum. Um das modifizierte Tikhonov-Regularisationsverfahren zu testen und zu bestätigen wurden sowohl simulierte als auch experimentell gemessene EXAFS-Spektren einer kristallinen U(VI)-Verbindung mit bekannter Struktur, nämlich Soddyit (UO2)2SiO4 x 2H2O, untersucht. Die Leistungsfähigkeit dieser neuen Methode zur Auswertung von EXAFS-Spektren wird durch ihre Anwendung auf die Analyse von Proben mit unbekannter Struktur gezeigt, wie sie bei der Sorption von U(VI) bzw. von Pu(III)/Pu(IV) an Kaolinit auftreten. Ziel der Dissertation war es, die immer noch nicht voll ausgeschöpften Möglichkeiten des modifizierten Tikhonov-Regularisationsverfahrens für die Auswertung von EXAFS-Spektren aufzuzeigen. Die Ergebnisse lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Die erste beinhaltet die Entwicklung des Tikhonov-Regularisationsverfahrens für die Analyse von EXAFS-Spektren von Mehrkomponentensystemen, insbesondere die Wahl bestimmter Regularisationsparameter und den Einfluss von Mehrfachstreuung, experimentell bedingtem Rauschen, etc. auf die Strukturparameter. Der zweite Teil beinhaltet die Speziation von sorbiertem U(VI) und Pu(III)/Pu(IV) an Kaolinit, basierend auf experimentellen EXAFS-Spektren, die mit Hilfe des modifizierten Tikhonov-Regularisationsverfahren ausgewertet und mit Hilfe konventioneller EXAFS-Analyse durch „Least-Squares-Fit“ bestätigt wurden.

Spin polarised Heusler compounds

In der vorliegenden Dissertation dient ein einfaches Konzept zur Systematisierung der Suche nach neuen Materialien mit hoher Spinpolarisation. Dieses Konzept basiert auf zwei semi-empirischen Modellen. Zum einen kann die Slater-Pauling Regel zur Abschätzung magnetischer Momente verwendet werden. Dieses Modell wird dabei durch Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Das zweites Modell kann insbesondere für die Co2YZ Heusler Verbindungen beim Vergleich ihrer magnetischen Eigenschaften gefunden werden. Für diese Verbindungen ergibt sich eine scheinbare lineare Abhängigkeit der Curie-Temperatur beim Auftragen als Funktion des magnetischen Momentes. Angeregt durch diese Modelle wurde die Heusler Verbindung Co2FeSi nochmals detailliert im Hinblick auf ihre geometrische und magnetische Struktur hin untersucht. Als Methoden dienten dabei die Pulver-Röntgenbeugung, die EXAFS Spektroskopie, Röntgen Absorptions- and Mößbauer Spektroskopie sowie Hoch- und Tieftemperatur Magnetometrie, XMCD and DSC. Die Messungen zeigten, dass es sich bei Co2FeSi um das Material mit dem höchsten magnetischen Moment (6 B) und der höchsten Curie Temperatur (1100 K) sowohl in der Klasse der Heusler Verbindungen als auch in der Klasse der halbmetallischen Ferromagnete handelt. Zusätzlich werden alle experimentellen Ergebnisse durch detaillierte Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Die gleichen Konzepte wurden verwendet, um die Eigenschaften der Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl vorherzusagen. Die elektronische Struktur und die spektroskopischen Eigenschaften wurden mit der voll-relativistischen Korringa-Kohn-Rostocker Methode berechnet, unter Verwendung kohärenter Potentialnäherungen um der zufälligen Verteilung von Cr und Fe Atomen sowie zufälliger Unordnung Rechnung zu tragen. Magnetische Effekte wurden durch die Verwendung Spin-abhängiger Potentiale im Rahmen der lokalen Spin-Dichte-Näherung mit eingeschlossen. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften der quaternären Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl wurden an Pulver und Bulkproben gemessen. Die Fernordnung wurde mit der Pulver Röntgenbeugung und Neutronenbeugung untersucht, während die Nahordnung mit der EXAFS Spektroskopie aufgeklärt wurde. Die magnetische Struktur von Pulver und Bulkproben wurde mitttels 57Fe-Mößbauer Spektroskopie gemessen. Die chemische Zusammensetzung wurde durch XPS analysiert. Die Ergebnisse dieser Methoden wurden verglichen, um eine Einsicht in die Unterschiede zwischen Oberflächen und Volumeneigenschaften zu erlangen sowie in das Auftreten von Fehlordnung in solchen Verbindungen. Zusätzlich wurde XMCD an den L3,2 Kanten von Co, Fe, and Cr gemessen, um die elementspezifischen magnetischen Momente zu bestimmen. Rechnungen und Messungen zeigen dabei eine Zunahme des magnetischen Momentes bei steigendem Fe-Anteil. Resonante Photoemission mit weicher Röntgenstrahlung sowie Hochenergie Photoemission mit harter Röntgenstrahlung wurden verwendet, um die Zustandsdichte der besetzten Zustände in Co2Cr0.6Fe0.4Al zu untersuchen. Diese Arbeit stellt außerdem eine weitere, neue Verbindung aus der Klasse der Heusler Verbindungen vor. Co2CrIn ist L21 geordnet, wie Messungen mittels Pulver Röntgenbeugung zeigen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit magnetometrisch bestimmt. Co2CrIn ist weichmagnetisch mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1.2B bei 5 K. Im Gegensatz zu den bereits oben erwähnten Co2YZ Heusler Verbindungen ist Co2CrIn kein halbmetallischer Ferromagnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird weiterhin eine Regel zur Vorhersage von halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagneten in der Klasse der Heusler Verbindungen vorgestellt. Dieses Konzept resultiert aus der Kombination der Slater-Pauling Regel mit der Kübler-Regel. Die Kübler Regel besagt, dass Mn auf der Y Position zu einem hoch lokalisierten magnetischen Moment tendiert. Unter Verwendung dieses neuen Konzeptes werden für einige Kandidaten in der Klasse der Heusler Verbindungen die Eigenschaft des halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagnetismus vorhergesagt. Die Anwendung dieses Konzeptes wird anhand von Rechnungen zur elektronischen Struktur bestätigt.

The release of zinc and lead from mine tailings

Mining and processing of metal ores are important causes of soil and groundwater contamination in many regions worldwide. Metal contaminations are a serious risk for the environment and human health. The assessment of metal contaminations in the soil is therefore an important task. A common approach to assess the environmental risk emanating from inorganic contaminations to soil and groundwater is the use of batch or column leaching tests. In this regard, the suitability of leaching tests is a controversial issue. In the first part of this work the applicability and comparability of common leaching tests in the scope of groundwater risk assessment of inorganic contamination is reviewed and critically discussed. Soil water sampling methods (the suction cup method and centrifugation) are addressed as an alternative to leaching tests. Reasons for limitations of the comparability of leaching test results are exposed and recommendations are given for the expedient application of leaching tests for groundwater risk assessment. Leaching tests are usually carried out in open contact with the atmosphere disregarding possible changes of redox conditions. This can affect the original metal speciation and distribution, particularly when anoxic samples are investigated. The influence of sample storage on leaching test results of sulfide bearing anoxic material from a former flotation dump is investigated in a long-term study. Since the oxidation of the sulfide-bearing samples leads to a significant overestimation of metal release, a feasible modification for the conduction of common leaching tests for anoxic material is proposed, where oxidation is prevented efficiently. A comparison of leaching test results to soil water analyzes have shown that the modified saturation soil extraction (SSE) is found to be the only of the tested leaching procedures, which can be recommended for the assessment of current soil water concentrations at anoxic sites if direct investigation of the soil water is impossible due to technical reasons. The vertical distribution and speciation of Zn and Pb in the flotation residues as well as metal concentrations in soil water and plants were investigated to evaluate the environmental risk arising from this site due to the release of metals. The variations in pH and inorganic C content show an acidification of the topsoil with pH values down to 5.5 in the soil and a soil water pH of 6 in 1 m depth. This is due to the oxidation of sulfides and depletion in carbonates. In the anoxic subsoil pH conditions are still neutral and soil water collected with suction cups is in equilibrium with carbonate minerals. Results from extended x-ray absorption fine-structure (EXAFS) spectroscopy confirm that Zn is mainly bound in sphalerite in the subsoil and weathering reactions lead to a redistribution of Zn in the topsoil. A loss of 35% Zn and S from the topsoil compared to the parent material with 10 g/kg Zn has been observed. 13% of total Zn in the topsoil can be regarded as mobile or easily mobilizable according to sequential chemical extractions (SCE). Zn concentrations of 10 mg/L were found in the soil water, where pH is acidic. Electron supply and the buffer capacity of the soil were identified as main factors controlling Zn mobility and release to the groundwater. Variable Pb concentrations up to 30 µg/L were observed in the soil water. In contrast to Zn, Pb is enriched in the mobile fraction of the oxidized topsoil by a factor of 2 compared to the subsoil with 2 g/kg Pb. 80% of the cation exchange capacity in the topsoil is occupied by Pb. Therefore, plant uptake and bioavailability are of major concern. If the site is not prevented from proceeding acidification in the future, a significant release of Zn, S, and Pb to the groundwater has to be expected. Results from this study show that the assessment of metal release especially from sulfide bearing anoxic material requires an extensive comprehension of leaching mechanisms on the one hand and on weathering processes, which influence the speciation and the mobility of metals, on the other hand. Processes, which may change redox and pH conditions in the future, have to be addressed to enable sound decisions for soil and groundwater protection and remediation.

A chemical approach to Heusler compounds and nanoparticles

Heusler Materialien wurden bisher vor allem in Volumen- und Dünnfilmproben aufgrund ihrer technischen Bedeutung untersucht. In dieser Arbeit berichtet über die experimentellen Untersuchungen der chemischen Synthese, Struktur, und der magnetischen Eigenschaften von ternären Heusler-Nanopartikeln. Die grundlegenden Aspekte der Physik, Chemie und Materialwissenschaft bezüglich der Heusler Nanopartiikel wurden untersucht. Außerdem wurde eine silicatgestützte Herstellungsmethode für Karbon-ummantelte, ternäre intermetallische Co2FeGa Nanopartikel entwickelt. Die Bildung der L21 Co2FeGa Phase wurde mit Röntgenbeugung (XRD), Extended X-ray Absorption Fine Structure Spektroskopie (EXAFS), und 57Fe Mössbauer Spektroskopie bestätigt. Die Abhängigkeit der Phase und der der Größe der Co2FeGa Nanopartikel vom der Zusammensetzung der Precursor und des Silicats wurden untersucht. Durch das Koppeln der aus Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) gewonnen Teilchengröße und der Mössbauerspektroskopie konnte die kritische Größe für den Übergang von superparamgnetischem zu ferromagnetischem Verhalten von Co2FeGa Nanopartikel ermittelt werden. Die silicatgestützte chemische Synthese von Co2FeGa Nanopartikeln besitzt großes Potential für eine generelle Herstellungsmethode für Co-basierte Heuser Nanopartikel. Des weiteren wurde auch eine chemische Herstellungsmethode von metallischen Nanopartikeln mit Synchrotronstrahlung untersucht, die so gewonnen Nanopartikel sind vielversprechende Materialien für die Nanobiotechnologie und die Nanomedizin.

Electronic structure and physical properties of Heusler compounds for thermoelectric and spintronic applications

This thesis focuses on synthesis as well as investigations of the electronic structure and properties of Heusler compounds for spintronic and thermoelectric applications.rnThe first part reports on the electronic and crystal structure as well as the mechanical, magnetic, and transport properties of the polycrystalline Heusler compound Co2MnGe. The crystalline structure was examined in detail by extended X-ray absorption fine structure spectroscopy and anomalous X-ray diffraction. The low-temperature magnetic moment agrees well with the Slater-Pauling rule and indicates a half-metallic ferromagnetic state of the compound, as is predicted by ab-initio calculations. Transport measurements and hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) were performed to explain the electronic structure of the compound.rnA major part of the thesis deals with a systematical investigation of Heusler compounds for thermoelectric applications. Few studies have been reported on thermoelectric properties of p-type Heusler compounds. Therefore, this thesis focuses on the search for new p-type Heusler compounds with high thermoelectric efficiency. The substitutional series NiTi1−xMxSn and CoTi1−xMxSb (where M = Sc, V and 0 ≤ x ≤ 0.2) were synthesized and investigated theoretically and experimentally with respect to electronic structure and transport properties. The results show the possibility to create n-type and p-type thermoelectrics within one Heusler compound. The pure compounds showed n-type behavior, while under Sc substitution the system switched to p-type behavior. A maximum Seebeck coefficient of +230 μV/K (at 350 K) was obtained for NiTi0.26Sc0.04Zr0.35Hf0.35Sn, which is one of the highest values for p-type thermoelectric compounds based on Heusler alloys up to now. HAXPES valence band measurement show massive in gap states for the parent compounds NiTiSn, CoTiSb and NiTi0.3Zr0.35Hf0.35Sn. This proves that the electronic states close to the Fermi energy play a key role for the behavior of the transport properties. Furthermore, the electronic structure of the gapless Heusler compounds PtYSb, PtLaBi and PtLuSb were investigated by bulk sensitive HAXPES. The linear behavior of the spectra close to εF proves the bulk origin of Dirac-cone type density of states. Furthermore, a systematic study on the optical and transport properties of PtYSb is presented. The compound exhibits promising thermoelectric properties with a high figure of merit (ZT = 0.2) and a Hall mobility μh of 300 cm2/Vs at 350 K.rnThe last part of this thesis describes the linear dichroism in angular-resolved photoemission from the valence band of NiTi0.9Sc0.1Sn and NiMnSb. High resolution photoelectron spectroscopy was performed with an excitation energy of hν = 7.938 keV. The linear polarization of the photons was changed using an in-vacuum diamond phase retarder. Noticeable linear dichroism is found in the valence bands and this allows for a symmetry analysis of the contributing states. The differences in the spectra are found to be caused by symmetry dependent angular asymmetry parameters, and these occur even in polycrystalline samples without preferential crystallographic orientation.rnIn summary, Heusler compounds with 1:1:1 and 2:1:1 stoichiometry were synthesized and examined by chemical and physical methods. Overall, this thesis shows that the combination of first-principle calculations, transport measurements and high resolution high energy photoelectron spectroscopy analysis is a very powerful tool for the design and development of new materials for a wide range of applications from spintronic applications to thermoelectric applications.rn

Grenzflächenverhalten und Strukturierung von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen

Die Oberfläche von Blockcopolymerfilmen wird aus denjenigen Blöcken gebildet, die gegenüber dem benachbarten Medium die geringste Oberflächenenergie besitzen. Durch eine gezielte Änderung des Mediums kann man Einfluss auf die chemische Zusammensetzung nehmen und einen Wechsel der Oberflächenlamelle erzwingen. Das Ziel dieser Arbeit war es, das Grenzflächenverhalten von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen näher zu untersuchen, die Filmoberflächen in einem lösungsmittelfreien Prozess lateral zu strukturieren und anschließend chemisch zu modifizieren. Zu diesem Zweck wurden zunächst neuartige hydrophile und hydrophobe Styrenderivate mit kurzen Seitenketten dargestellt, die anschließend durch kontrollierte radikalische Polymerisation („stable free radical polymerisation“ SFRP) mit dem TEMPO Unimer zu amphiphilen Diblockcopolymeren polymerisiert wurden. Funktionelle Gruppen in den hydrophilen Blöcken sollen zusätzlich eine chemische Modifizierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme ermöglichen. Der Nachweis der Reorientierung der Oberflächenlamelle unter dem Einfluss angrenzender polarer und unpolarer Medien gelang im Folgenden sowohl indirekt durch Kontaktwinkelmessungen, als auch direkt durch „Near edge X-ray Absorption Fine Structure“ Spektroskopie (NEXAFS). Durch Letztere konnten auch kinetische Informationen über den Prozess der Reorientierung gewonnen werden. In AFM Studien konnten weiterhin Zwischenstufen des von Senchu et al. postulierten Mechanismus nachgewiesen werden, der die Reorientierung als eine Art Reißverschlussmechanismus beschreibt, bei dem sich die energetisch günstigere Lamelle über die ungünstigere Oberflächenlamelle stülpt. Die laterale Strukturierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme erfolgte abweichend von der bekannten Technik, die auf der Verwendung von hydrophoben PDMS Stempeln und einem polaren Lösungsmittel zurückgreift, durch einen lösungsmittelfreien Prozess mit hydrophilen PDMS Stempeln. Auf die hydrophilen Bereiche der so strukturierten Blockcopolymeroberflächen konnte dann mittels einer Templatstrategie selektiv elementares Kupfer abgeschieden werden. Durch die Erzeugung leitfähiger Strukturen auf Blockcopolymerfilmen konnte exemplarisch die Eignung dieser zum Aufbau von Sensorstrukturen gezeigt werden.

Untersuchung des Reorientierungsverhaltens und Strukturierung dünner amphiphiler Blockcopolymerfilme zum Aufbau von Kompositen

Grundlage für die hier gezeigte Arbeit stellt die Eigenschaft von amphiphilen Blockcopolymeren dar immer den Block mit der niedrigsten Grenzflächenenergie zum angrenzenden Medium an die Oberfläche zu bringen. Durch einen Austausch des Mediums an der Grenzfläche zum Blockcopolymer kann eine Reorientierung erzwungen werden, wenn die Grenzflächenenergie des anderen Blocks nun die niedrigere Grenzflächenenergie besitzt. Dieses Verhalten von dünnen amphiphilen Blockcopolymerfilmen wurde zur Strukturierung von Oberflächen ausgenutzt und in nachfolgenden Synthesen weiter verstärkt. Um dies zu erreichen wurde das zur Strukturierung erforderliche Poly(4-Octylstyrol)block(4-hydroxystyrol) durch kontrollierte radikalische Polymerisationsmethode mit dem Tempo Unimer (2,2,6,6-Tetramethyl-1-1(1-phenyl-ethoxy)-piperidin) synthetisiert. Für die geplanten Reorientierungen und Modifizierungen von Oberflächen wurden dünne Filme durch Schleuderbeschichtung auf verschiedenen Substraten (Siliziumwafern, Glassubstraten und Goldoberflächen) hergestellt. Das Verhalten der Oberflächen von diesen Filmen wurde durch Kontaktwinkelmessungen untersucht. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass die Oberfläche von Polymerfilmen nach der Präparation aus dem hydrophoben Block des Polymers gebildet wird. Durch Kontakt des Polymerfilms mit Wasser kann dieser zur Reorientierung gebracht werden, so dass der hydrophile Block des Polymers an der Oberfläche erscheint. Dieses Verhalten wurde zur Strukturierung mit softlithographischen Techniken genutzt. Dazu wurden hydrophil/hydrophob strukturierte Oberflächen durch Aufsetzen von hydrophoben PDMS-Stempeln, die Teile der Oberfläche selektiv abdeckten, und Einbringen von Wasser in die dabei entstehenden Kapillaren hergestellt. Dies ermöglichte es die Oberfläche selektiv im Größenbereich von 500nm bis zu 50µm zu strukturieren und an den reaktiven Bereichen Materialien, wie z.B. Kupfer, Titandioxid, Polyelektrolyte, photonische Kristalle und angegraftete Polymere, mit verschiedenen Methoden selektiv auf die Oberfläche aufzubringen. Um den Reorganisationsprozess der Oberfläche genauer zu studieren, wurde ein für diese Aufgabe besser geeignetes Polymer (Poly(Styrol)-block-poly(essigsäure-2-(2-(4-vinyl-phenoxy)-ethoxy)ethylester)) synthetisiert. Aus diesem Blockcopolymer wurden wieder dünne Filme durch Spincoaten hergestellt. Die Reorientierung dieses Polymers in 70°C warmen Wasser konnte durch Kontaktwinkelmessungen und NEXAFS Spektroskopie nachgewiesen werden. Mit Hilfe der NEXAFS Spektroskopie konnte festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit der Reorientierung durch eine exponentielle Funktion beschrieben werden kann. Eine Auswertung der Geschwindigkeitskonstante für die Reorientierung einer hydrophilen zu einer hydrophoben Oberfläche des Polymers bei 60°C führt zu =75min. Aufgrund des exponentiellen Charakters der Reorientierung macht es den Anschein, dass die Reorientierung bei verschiedenen Reorientierungstemperaturen bis zu einem gewissen Grad erfolgt und dann stoppt. Eine weitere Reorientierung scheint erst wieder bei einer Temperaturerhöhung zu beginnen. Aus AFM Messungen ist ein Beginnen der Reorientierung durch Bildung kleiner Löcher in der Polymeroberfläche zu erkennen, die sich zu runden Erhöhungen und Vertiefungen vergrößern, um letztendlich in ein spinodales Entmischungsmuster über zu gehen. Dieses heilt dann im Laufe der Zeit langsam durch Verschwinden der hydrophilen Bereiche langsam aus. Der Beginn des zuvor beschriebenen Reorientierungsprozesses einer hydrophilen Oberfläche in eine hydrophobe konnte sowohl in den AFM, als auch in den NEXAFS-Messungen zu ca. 50°C bestimmt werden.

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Ein neuartiges Interferometer zur Messung magneto-optischer Effekte an L-Absorptionskanten von ferromagnetischen Metallen mit linearpolarisierter Undulatorstrahlung

Am Mainzer Mikrotron MAMI wurde ein neuartiges Interferometer entwickelt und getestet, mit dem magneto-optische Effekte an dünnen, freitragenden Folien von 3d-Übergangsmetallen wie Eisen, Kobalt oder Nickel an den L_{2,3}-Absorptionskanten (im Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung) gemessen werden können. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung eines an MAMI erprobten Interferometers, das im wesentlichen aus einer kollinearen Anordnung zweier identischer Undulatoren, zwischen die die dünne Probefolie eingebracht wird, und einem Gitterspektrometer besteht. Aus den als Funktion des Abstands der Undulatoren beobachtbaren Intensitätsoszillation lassen sich das Dekrement des Realteils δ und der Absorptionskoeffizient β des komplexen Brechungsindex bestimmen.rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Apparatur derart weiterentwickelt, dass auch die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ und der magnetisch zirkulare Dichroismus Δβ an den L_{2,3}-Absorptionskanten von Übergangsmetallen gemessen werden können. Der zweite Undulator wurde um die Elektronenstrahlachse um den Winkel Ψ = ±107° drehbar gemacht. Damit dient er auch als Analysator der aus der Folie austretenden elliptisch polarisierten weichen Röntgenstrahlung, für die - wie bei der Faraday-Rotation - die Polarisationsebene gedreht ist. Weiterhin kann die Spaltbreite der 10-poligen Hybrid-Undulatoren mit einer Periodenlänge von 12 mm und damit der Undulatorparameter über eine Antriebsmechanik kontinuierlich variiert werden, wodurch eine optimale Anpassung der Amplituden der Undulatorstrahlung aus den beiden Undulatoren möglich wird. Der maximale Undulatorparameter beträgt K = 1.1. Auch das Spektrometer, das auf einem selbstfokussierenden Gitter mit variierter Liniendichte (im Mittel 1400 Linien / mm) basiert, wurde weiterentwickelt. Als Detektor kommt jetzt eine fensterlose CCD mit 1024 x 1024 Pixeln und einer Pixelgröße von 13 μm x 13 μm zum Einsatz, die im Bildmodus betrieben wird, was die gleichzeitige Messung eines Energieintervalls von ca. 50 eV ermöglicht. Die totale Linienbreite wurde bei einer vertikalen Strahlfleckausdehnung von σ_y = 70 μm (rms) am Neon 1s-3p Übergang bei (867.18 ±0.02) eV zu Δħω = (0.218 ±0.002) eV (FWHM) gemessen. Das hohe Auflösungsvermögen von 4000 und die Möglichkeit der Eichung gegen den 1s-3p Übergang von Neon wurden ausgenutzt, um die Energie der Maxima an den Absorptionskanten von Nickel (weiße Linien) neu zu bestimmen. Die Ergebnisse E_{L_2}=(869.65_{-0.16}^{+0.27}) eV und E_{L_3}=(852.37_{-0.11}^{+0.16}) eV stellen eine Verbesserung früherer Messungen dar, die große Streuungen aufwiesen.rnAus systematischen Messungen als Funktion des Abstandes der Undulatoren und des Drehwinkels Ψ wurden die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ im Energiebereich 834 eV ≤ ħω ≤ 885 eV an einer freitragenden, bis zur Sättigung magnetisierten Nickelfolie der Dicke von (96.4 ±2.7) nm gemessen. Sowohl das Auflösungsvermögen als auch die Genauigkeit der Messungen für Δδ übersteigen bekannte Literaturangaben signifikant, so dass eine bisher nicht bekannte Feinstruktur gefunden werden konnte. Außerdem wurde der Betrag des magnetisch zirkularen Dichroismus |Δβ| im Bereich des Maximums an der L_3-Absorptionskante mit hoher Genauigkeit gemessen.rn

Nanofiber-based spectroscopy of organic molecules

This thesis reports on the experimental realization of nanofiber-based spectroscopy of organic molecules. The light guided by subwavelength diameter optical nanfibers exhibits a pronounced evanescent field surrounding the fiber which yields high excitation and emission collection efficiencies for molecules on or near the fiber surface.rnThe optical nanofibers used for the experiments presented in this thesis are realized as thernsub-wavelength diameter waist of a tapered optical fiber (TOF). The efficient transfer of thernlight from the nanofiber waist to the unprocessed part of the TOF depends critically on therngeometric shape of the TOF transitions which represent a nonuniformity of the TOF. Thisrnnonuniformity can cause losses due to coupling of the fundamental guided mode to otherrnmodes which are not guided by the taper over its whole length. In order to quantify the lossrnfrom the fundamental mode due to tapering, I have solved the coupled local mode equationsrnin the approximation of weak guidance for the three layer system consisting of fiber core andrncladding as well as the surrounding vacuum or air, assuming the taper shape of the TOFsrnused for the experiments presented in this thesis. Moreover, I have empirically studied therninfluence of the TOF geometry on its transmission spectra and, based on the results, I haverndesigned a nanofiber-waist TOF with broadband transmission for experiments with organicrnmolecules.rnAs an experimental demonstration of the high sensitivity of nanofiber-based surface spectroscopy, I have performed various absorption and fluorescence spectroscopy measurements on the model system 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA). The measured homogeneous and inhomogeneous broadening of the spectra due to the interaction of the dielectric surface of the nanofiber with the surface-adsorbed molecules agrees well with the values theoretically expected and typical for molecules on surfaces. Furthermore, the self-absorption effects due to reasorption of the emitted fluorescence light by circumjacent surface-adsorbed molecules distributed along the fiber waist have been analyzed and quantified. With time-resolved measurements, the reorganization of PTCDA molecules to crystalline films and excimers can be observed and shown to be strongly catalyzed by the presence of water on the nanofiber surface. Moreover, the formation of charge-transfer complexes due to the interaction with localized surface defects has been studied. The collection efficiency of the molecular emission by the guided fiber mode has been determined by interlaced measurements of absorption and fluorescence spectra to be about 10% in one direction of the fiber.rnThe high emission collection efficiency makes optical nanofibers a well-suited tool for experiments with dye molecules embedded in small organic crystals. As a first experimental realization of this approach, terrylene-doped para-terphenyl crystals attached to the nanofiber-waist of a TOF have been studied at cryogenic temperatures via fluorescence and fluorescence excitation spectroscopy. The statistical fine structure of the fluorescence excitation spectrum for a specific sample has been observed and used to give an estimate of down to 9 molecules with center frequencies within one homogeneous width of the laser wavelength on average for large detunings from resonance. The homogeneous linewidth of the transition could be estimated to be about 190MHz at 4.5K.

Nuclear charge radii of light isotopes based on frequency comb measurements

Optical frequency comb technology has been used in this work for the first time to investigate the nuclear structure of light radioactive isotopes. Therefore, three laser systems were stabilized with different techniques to accurately known optical frequencies and used in two specialized experiments. Absolute transition frequency measurements of lithium and beryllium isotopes were performed with accuracy on the order of 10^(−10). Such a high accuracy is required for the light elements since the nuclear volume effect has only a 10^(−9) contribution to the total transition frequency. For beryllium, the isotope shift was determined with an accuracy that is sufficient to extract information about the proton distribution inside the nucleus. A Doppler-free two-photon spectroscopy on the stable lithium isotopes (6,7)^Li was performed in order to determine the absolute frequency of the 2S → 3S transition. The achieved relative accuracy of 2×10^(−10) is improved by one order of magnitude compared to previous measurements. The results provide an opportunity to determine the nuclear charge radius of the stable and short-lived isotopes in a pure optical way but this requires an improvement of the theoretical calculations by two orders of magnitude. The second experiment presented here was performed at ISOLDE/CERN, where the absolute transition frequencies of the D1 and D2 lines in beryllium ions for the isotopes (7,9,10,11)^Be were measured with an accuracy of about 1 MHz. Therefore, an advanced collinear laser spectroscopy technique involving two counter-propagating frequency-stabilized laser beams with a known absolute frequency was developed. The extracted isotope shifts were combined with recent accurate mass shift calculations and the root-mean square nuclear charge radii of (7,10)^Be and the one-neutron halo nucleus 11^Be were determined. Obtained charge radii are decreasing from 7^Be to 10^Be and increasing again for 11^Be. While the monotone decrease can be explained by a nucleon clustering inside the nucleus, the pronounced increase between 10^Be and 11^Be can be interpreted as a combination of two contributions: the center-of-mass motion of the 10^Be core and a change of intrinsic structure of the core. To disentangle these two contributions, the results from nuclear reaction measurements were used and indicate that the center-of-mass motion is the dominant effect. Additionally, the splitting isotope shift, i.e. the difference in the isotope shifts between the D1 and D2 fine structure transitions, was determined. This shows a good consistency with the theoretical calculations and provides a valuable check of the beryllium experiment.

Emissions- und Anregungsspektroskopie einzelner Halbleiternanokristalle bei kryogenen Temperaturen

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich die Synthese und Charakterisierung nanoskopischer Objekte zu einem wichtigen Forschungszweig entwickelt. Insbesondere die Größenabhängigkeit optischer Eigenschaften in Halbleiternanokristallen eröffnet ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten. Das Verständnis der größenabhängigen elektronischen Struktur derartiger Nanokristalle ist ein interessantes Feld der Grundlagenforschung, da sie den Übergang vom Atom zum makroskopischen Material repräsentieren. Die Einzigartigkeit eines jeden Nanokristalls aufgrund von Inhomogenitäten in Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit erfordert die Untersuchung der elektronischen Struktur mittels der Spektroskopie einzelner Nanokristalle.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde die Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie einzelner CdSe/ZnS-Nanokristalle bei kryogenen Temperaturen etabliert und für Partikel verschiedener Größen eingesetzt. Hierzu wurde zunächst ein konfokales Mikroskop aufgebaut, das die Spektroskopie einzelner Emitter in einem Temperaturbereich von 1.4 K bis Raumtemperatur ermöglicht. Die zur Anregungsspektroskopie angewendete Methode erlaubte die Untersuchung des vollen Spektralbereichs des 1S3/2-1Se-Exzitons, der sogenannten exzitonischen Feinstruktur. Obwohl es sich bei dem niederenergetischsten Übergang um einen verbotenen Übergang handelt, konnte dieser regelmäßig detektiert werden. Die Energieseparationen der beiden niederenergetischsten Übergänge wurden in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des etablierten EMA-Modells gefunden. Für die weiteren Übergänge zeigten die Experimente, dass deren Energiedifferenz zum niederenergetischsten Übergang vom EMA-Modell unterschätzt wird. Abschließend wurde die Polarisationsabhängigkeit der Übergänge in verschiedene Zustände der exzitonischen Feinstruktur untersucht, wobei theoretische Vorhersagen der relativen Orientierung der Übergangsdipole der beiden niederenergetischsten Zustände bestätigt werden konnten.rn

Near-field mediated enhancement effects on plasmonic nanostructures

In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung und Charakterisierung der Zwei-Photonen-induzierten Fluoreszenzverstärkung von organischen Farbstoffen auf plasmonischen Nanostrukturen vorgestellt. Diese Fluoreszenzverstärkung ist insbesondere für hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie und Einzelmolekülspektroskopie von großer Bedeutung. Durch die Zwei-Photonen-Anregung resultiert eine Begrenzung des Absorptionsprozesses auf das fokale Volumen. In Kombination mit dem elektrischen Nahfeld der Nanostrukturen als Anregungsquelle entsteht eine noch stärkere Verringerung des Anregungsvolumens auf eine Größe unterhalb der Beugungsgrenze. Dies erlaubt die selektive Messung ausgewählter Farbstoffe. Durch die Herstellung der Nanopartikel mittels Kolloidlithografie wird eine definierte, reproduzierbare Geometrie erhalten. Polymermultischichten dienen als Abstandshalter, um die Farbstoffe an einer exakten Distanz zum Metall zu positionieren. Durch die kovalente Anbindung des Farbstoffs an die oberste Schicht wird eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs in geringer Konzentration erhalten. rnEs wird eine Verstärkung der Fluoreszenz um den Faktor 30 für Farbstoffe auf Goldellipsen detektiert, verglichen mit Farbstoffen außerhalb des Nahfelds. Sichelförmige Nanostrukturen erzeugen eine Verstärkung von 120. Dies belegt, dass das Ausmaß der Fluoreszenzverstärkung entscheidend von der Stärke des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur abhängt. Auch das Material der Nanostruktur ist hierbei von Bedeutung. So erzeugen Silberellipsen eine 1,5-fach höhere Fluoreszenzverstärkung als identische Goldellipsen. Distanzabhängige Fluoreszenzmessungen zeigen, dass die Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenzverstärkung an strukturspezifischen Abständen zum Metall maximiert wird. Elliptische Strukturen zeigen ein Maximum bei einem Abstand von 8 nm zum Metall, wohingegen bei sichelförmigen Nanostrukturen die höchste Fluoreszenzintensität bei 12 nm gemessen wird. Bei kleineren Abständen unterliegt der Farbstoff einem starken Löschprozess, sogenanntes Quenching. Dieses konkurriert mit dem Verstärkungsprozess, wodurch es zu einer geringen Nettoverstärkung kommt. Hat die untersuchte Struktur Dimensionen größer als das Auflösungsvermögen des Mikroskops, ist eine direkte Visualisierung des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur möglich. rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Herstellung neuartiger Nanostrukturen durch kolloidlithografische Methoden. Gestapelte Dimere sichelförmiger Nanostrukturen mit exakter vertikaler Ausrichtung und einem Separationsabstand von etwa 10 nm wurden hergestellt. Die räumliche Nähe der beiden Strukturen führt zu einem Kopplungsprozess, der neue optische Resonanzen hervorruft. Diese können als Superpositionen der Plasmonenmoden der einzelnen Sicheln beschrieben werden. Ein Hybridisierungsmodell wird angewandt, um die spektralen Unterschiede zu erklären. Computersimulationen belegen die zugrunde liegende Theorie und erweitern das Modell um experimentell nicht aufgelöste Resonanzen. rnWeiterhin wird ein neuer Herstellungsprozess für sichelförmige Nanostrukturen vorgestellt, der eine präzise Formanpassung ermöglicht. Hierdurch kann die Lage der Plasmonenresonanz exakt justiert werden. Korrelationen der geometrischen Daten mit den Resonanzwellenlängen tragen zum grundlegenden Verständnis der Plasmonenresonanzen bei. Die vorgestellten Resultate wurden mittels Computersimulationen verifiziert. Der Fabrikationsprozess erlaubt die Herstellung von Dimeren sichelförmiger Nanostrukturen in einer Ebene. Durch die räumliche Nähe überlappen die elektrischen Nahfelder, wodurch es zu kopplungs-induzierten Shifts der Plasmonenresonanzen kommt. Der Unterschied zu theoretisch berechneten ungekoppelten Nanosicheln kann auch bei den gegenüberliegenden sichelförmigen Nanostrukturen mit Hilfe des Plasmonenhybridisierungsmodells erklärt werden.