Computational studies on the structure and stabilities of magnetic inter-metallic compounds

The purpose of this thesis is to further the understanding of the structural, electronic and magnetic properties of ternary inter-metallic compounds using density functional theory (DFT). Four main problems are addressed. First, a detailed analysis on the ternary Heusler compounds is made. It has long been known that many Heusler compounds ($X_2YZ$; $X$ and $Y$ transition elements, $Z$ main group element) exhibit interesting half-metallic and ferromagnetic properties. In order to understand these, the dependence of magnetic and electronic properties on the structural parameters, the type of exchange-correlation functional and electron-electron correlation was examined. It was found that almost all Co$_2YZ$ Heusler compounds exhibit half-metallic ferromagnetism. It is also observed that $X$ and $Y$ atoms mainly contribute to the total magnetic moment. The magnitude of the total magnetic moment is determined only indirectly by the nature of $Z$ atoms, and shows a trend consistent with Slater-Pauling behaviour in several classes of these compounds. In contrast to experiments, calculations give a non-integer value of the magnetic moment in certain Co$_2$-based Heusler compounds. To explain deviations of the calculated magnetic moment, the LDA+$U$ scheme was applied and it was found that the inclusion of electron-electron correlation beyond the LSDA and GGA is necessary to obtain theoretical description of some Heusler compounds that are half-metallic ferromagnets. The electronic structure and magnetic properties of substitutional series of the quaternary Heusler compound Co$_2$Mn$_{1-x}$Fe$_x$Si were investigated under LDA+$U$. The calculated band structure suggest that the most stable compound in a half-metallic state will occur at an intermediate Fe concentration. These calculated findings are qualitatively confirmed by experimental studies. Second, the effect of antisite disordering in the Co$_2$TiSn system was investigated theoretically as well as experimentally. Preservation of half-metallicity for Co$_2$TiSn was observed with moderate antisite disordering and experimental findings suggest that the Co and Ti antisites disorder amounts to approximately 10~% in the compound. Third, a systematic examination was carried out for band gaps and the nature (covalent or ionic) of bonding in semiconducting 8- and 18-electron or half-metallic ferromagnet half-Heusler compounds. It was found that the most appropriate description of these compounds from the viewpoint of electronic structures is one of a $YZ$ zinc blende lattice stuffed by the $X$ ion. Simple valence rules are obeyed for bonding in the 8- and 18-electron compounds. Fourth, hexagonal analogues of half-Heusler compounds have been searched. Three series of compounds were investigated: GdPdSb, GdAutextit{X} (textit{X} = Mn, Cd and In) and EuNiP. GdPdSb is suggested as a possible half-metallic weak ferromagnet at low temperature. GdAutextit{X} (textit{X} = Mn, Cd and In) and EuNiP were investigated because they exhibit interesting bonding, structural and magnetic properties. The results qualitatively confirm experimental studies on magnetic and structural behaviour in GdPdSb, GdAutextit{X} (textit{X} = Mn, Cd and In) and EuNiP compounds. ~

Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

Ortsaufgelöster Nachweis von Elementspuren mittels Laserablation und Resonanzionisations-Massenspektrometrie und Untersuchungen zur Laserablations-Dynamik

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methode für einen empfindlichen und isotopenselektiven Elementnachweis entwickelt. Unter Einsatz von Laserablation geschieht der Probenaufschluß direkt und mit einer Ortsauflösung von unter 30 m. Hierzu wurde ein hochauflösendes MALDI-TOF-Massenspektrometer, welches üblicherweise für biochemische Fragestellungen eingesetzt wird, mit einem spektroskopischen Aufbau zur resonanten Ionisation von Elementgehalten modifiziert. Die Methode ist somit insbesondere für die Untersuchung von Elementspuren in Festkörperproben mit mikroskopischer Struktur konzipiert. Methodische Entwicklungsarbeiten wurden anhand des Elements Gadolinium durchgeführt. Durch die Verwendung gepulster Farbstofflaser stehen ausreichend hohe Laserfelder zur Verfügung, um unabhängig von Hyperfeinstruktur und Isotopieverschiebung Übergänge aller Isotope im Rahmen des Resonanzionisations-Verfahrens zu sättigen. Darauf konnte eine Isotopenverhältnisanalyse mit einer Genauigkeit im Prozentbereich verwirklicht werden. Verschiedene Anregungsleitern wurden untersucht, und mit elementspezifischen Resonanzüberhöhungen bis zu zwei Größenordnungen über dem nicht-resonant gebildeten Untergrund konnte eine Nachweiseffizienz von über 10-4 (entsprechend sub-fg/g-Niveau) erzielt werden. Dazu wurden Simulationsrechnungen zum atomaren Sättigungsverhalten in starken resonanten Laserfeldern durchgeführt. Erste Anwendungen des Laserablationsverfahrens waren Proben kosmologischer Herkunft. Der physikalische Prozeß der Laserablation bei Metallen wurde unter Hochvakuum-Bedingung systematisch in Abhängigkeit der Laserfluenz untersucht. In der ablatierten Plasmaphase erwies sich der Neutralanteil als besonders geeignet für geschwindigkeitsselektive Laserionisations-Messungen. Eine bimodale Struktur wurde beobachtet, bestehend aus einer thermischen und einer schockwellen-induzierten Komponente. Der ionische Anteil der ablatierten Dampfphase konnte über variable elektrische Feldpulse untersucht werden. Laserablation unter Atmosphärenbedingung wurde an einem beschichteten Messingtarget untersucht. Dabei wurde die Entstehung von permanenten Oberflächenstrukturen beobachtet, welche sich durch Nichtgleichgewichts-Prozesse in der Dampfphase erklären lassen.

The construction of TRIGA-TRAP and direct high-precision Penning trap mass measurements on rare-earth elements and americium

Nuclear masses are an important quantity to study nuclear structure since they reflect the sum of all nucleonic interactions. Many experimental possibilities exist to precisely measure masses, out of which the Penning trap is the tool to reach the highest precision. Moreover, absolute mass measurements can be performed using carbon, the atomic-mass standard, as a reference. The new double-Penning trap mass spectrometer TRIGA-TRAP has been installed and commissioned within this thesis work, which is the very first experimental setup of this kind located at a nuclear reactor. New technical developments have been carried out such as a reliable non-resonant laser ablation ion source for the production of carbon cluster ions and are still continued, like a non-destructive ion detection technique for single-ion measurements. Neutron-rich fission products will be available by the reactor that are important for nuclear astrophysics, especially the r-process. Prior to the on-line coupling to the reactor, TRIGA-TRAP already performed off-line mass measurements on stable and long-lived isotopes and will continue this program. The main focus within this thesis was on certain rare-earth nuclides in the well-established region of deformation around N~90. Another field of interest are mass measurements on actinoids to test mass models and to provide direct links to the mass standard. Within this thesis, the mass of 241-Am could be measured directly for the first time.

New biosensor applications of surface plasmon and hydrogel optical waveguide spectroscopy

Rapid and sensitive detection of chemical and biological analytes becomes increasingly important in areas such as medical diagnostics, food control and environmental monitoring. Optical biosensors based on surface plasmon resonance (SPR) and optical waveguide spectroscopy have been extensively pushed forward in these fields. In this study, we combine SPR, surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) and optical waveguide spectroscopy with hydrogel thin film for highly sensitive detection of molecular analytes.rnrnA novel biosensor based on SPFS which was advanced through the excitation of long range surface plasmons (LRSPs) is reported in this study. LRSPs are special surface plasmon waves propagating along thin metal films with orders of magnitude higher electromagnetic field intensity and lower damping than conventional SPs. Therefore, their excitation on the sensor surface provides further increased fluorescence signal. An inhibition immunoassay based on LRSP-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was developed for the detection of aflatoxin M1 (AFM1) in milk. The biosensor allowed for the detection of AFM1 in milk at concentrations as low as 0.6 pg mL-1, which is about two orders of magnitude lower than the maximum AFM1 residue level in milk stipulated by the European Commission legislation.rnrnIn addition, LRSPs probe the medium adjacent to the metallic surface with more extended evanescent field than regular SPs. Therefore, three-dimensional binding matrices with up to micrometer thickness have been proposed for the immobilization of biomolecular recognition elements with large surface density that allows to exploit the whole evanescent field of LRSP. A photocrosslinkable carboxymethyl dextran (PCDM) hydrogel thin film is used as a binding matrix, and it is applied for the detection of free prostate specific antigen (f-PSA) based on the LRSP-FS and sandwich immunoassay. We show that this approach allows for the detection of f-PSA at low femto-molar range, which is approximately four orders of magnitude lower than that for direct detection of f-PSA based on the monitoring of binding-induced refractive index changes.rnrnHowever, a three dimensional hydrogel binding matrix with micrometer thickness can also serve as an optical waveguide. Based on the measurement of binding-induced refractive index changes, a hydrogel optical waveguide spectroscopy (HOWS) is reported for a label-free biosensor. This biosensor is implemented by using a SPR optical setup in which a carboxylated poly(N-isoproprylacrylamide) (PNIPAAm) hydrogel film is attached on a metallic surface and modified by protein catcher molecules. Compared to regular SPR biosensor with thiol self-assembled monolayer (SAM), HOWS provides an order of magnitude improved resolution in the refractive index measurements and enlarged binding capacity owing to its low damping and large swelling ratio, respectively. A model immunoassay experiment revealed that HOWS allowed detection of IgG molecules with a 10 pM limit of detection (LOD) that was five-fold lower than that achieved for SPR with thiol SAM. For the high capacity hydrogel matrix, the affinity binding was mass transport limited.rnrnThe mass transport of target molecules to the sensor surface can play as critical a role as the chemical reaction itself. In order to overcome the diffusion-limited mass transfer, magnetic iron oxide nanoparticles were employed. The magnetic nanoparticles (MNPs) can serve both as labels providing enhancement of the refractive index changes, and “vehicles” for rapidly delivering the analytes from sample solution to an SPR sensor surface with a gradient magnetic field. A model sandwich assay for the detection of β human chorionic gonadotropin (βhCG) has been utilized on a gold sensor surface with metallic diffraction grating structure supporting the excitation of SPs. Various detection formats including a) direct detection, b) sandwich assay, c) MNPs immunoassay without and d) with applied magnetic field were compared. The results show that the highly-sensitive MNPs immunoassay improves the LOD on the detection of βhCG by a factor of 5 orders of magnitude with respect to the direct detection.rn

Advanced schemes for surface plasmon resonance and plasmon-enhanced fluorescence biosensors

Advanced optical biosensor platforms exploiting long range surface plasmons (LRSPs) and responsive N-isopropylacrylamide (NIPAAm) hydrogel binding matrix for the detection of protein and bacterial pathogen analytes were carried out. LRSPs are optical waves that originate from coupling of surface plasmons on the opposite sites of a thin metallic film embedded between two dielectrics with similar refractive indices. LRSPs exhibit orders of magnitude lower damping and more extended profile of field compared to regular surface plasmons (SPs). Their excitation is accompanied with narrow resonance and provides stronger enhancement of electromagnetic field intensity that can advance the sensitivity of surface plasmon resonance (SPR) and surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) biosensors. Firstly, we investigated thin gold layers deposited on fluoropolymer surface for the excitation of LRSPs. The study indicates that the morphological, optical and electrical properties of gold film can be changed by the surface energy of fluoropolymer and affect the performance of a SPFS biosensor. A photo-crosslinkable NIPAAm hydrogel was grafted to the sensor surface in order to serve as a binding matrix. It was modified with bio-recognition elements (BREs) via amine coupling chemistry and offered the advantage of large binding capacity, stimuli responsive properties and good biocompatibility. Through experimental observations supported by numerical simulations describing diffusion mass transfer and affinity binding of target molecules in the hydrogel, the hydrogel binding matrix thickness, concentration of BREs and the profile of the probing evanescent field was optimized. Hydrogel with a up to micrometer thickness was shown to support additional hydrogel optical waveguide (HOW) mode which was employed for probing affinity binding events in the gel by means of refractometric and fluorescence measurements. These schemes allow to reach limits of detection (LODs) at picomolar and femtomolar levels, respectively. Besides hydrogel based experiments for detection of molecular analytes, long range surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was employed for detection of bacterial pathogens. The influence of capture efficiency of bacteria on surfaces and the profile of the probing field on sensor response were investigated. The potential of LRSP-FS with extended evanescent field is demonstrated for detection of pathogenic E. coli O157:H7 on sandwich immunoassays . LOD as low as 6 cfu mL-1 with a detection time of 40 minutes was achieved.rn

57 Fe and 119 Sn Mössbauer studies on new Heusler compounds for spintronic applications

Seit der Entwicklung einer großen Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten der Spintronik auf Basis von Heusler Verbindungen innerhalb der letzten Dekade kann der Forschungsfortschritt an dieser Material Klasse in einer Vielzahl von Publikationen verfolgt werden. Eine typische Heusler Verbindung X2YZ besteht aus zwei Übergangsmetallen (X, Y) und einem Hauptgruppenelement (Z). Diese Arbeit berichtet von Heusler Verbindungen mit besonderem Augenmerk auf deren potentielle halbmetallische Eigenschaften und davon insbesondere solche, die eine richtungsabhängige magnetische Anisotropie (perpendicular magnetic anisotropy- PMA) zeigen könnten. PMA ist insbesondere für Spin transfer Torque (STT) Bauelemente von großem Interesse und tritt in tetragonalrnverzerrten Heusler Verbindungen auf. Bei STT-Elementen werden mittels spinpolarisierter Ströme die magnetische Orientierung von magnetischen Schichten beeinflusst.rnDie signifikantesten Ergebnisse dieser Arbeit sind: die Synthese neuer kubischen Heusler Phasen Fe2YZ, die theoretisch als tetragonal vorausgesagt wurden (Kapitel 1), die Synthese von Mn2FeGa, das in der tetragonal verzerrten Struktur kristallisiert und Potential für STT Anwendungen zeigt (Kapitel 2); die Synthese von Fe2MnGa, das einen magnetischen Phasenübergang mit exchange-bias (EB) Effekt zeigt, der auf einer Koexistenz von ferromagnetischen (FM) und antiferromagnetischen (AFM) Phasen beruht (Kapitel 3); Schlussendlich wird in Kapitel 4 die Synthese von Mn3−xRhxSn diskutiert, in welcher insbesondere tetragonales Mn2RhSn als potentielles Material für Anwendungen in derrnSpintronik vorgestellt wird.rnIn dieser Arbeit wurden hauptsächlich Heusler Verbindungen mit mößbaueraktiven Elementen 57Fe und 119Sn, synthetisiert und untersucht. Im Falle der hier untersuchten Heusler Verbindungen spielt die Charakterisierung durch Mößbauer Spektroskopie eine entscheidende Rolle, da Heusler Verbindungen meistens ein gewisses Maß an Fehlordnung aufweisen, welche deren magnetischen und strukturellen Eigenschaften beeinflussen kann. Die Art der Fehlordnung jedoch kann nur schwer durch standard Pulver-Röntgendiffraktion bestimmt werden, weshalb wir die Vorteile der Mößbauer Spektroskopie als lokale Methode nutzen, um den Typ und den Grad der Fehlordnung aufzuklären. rnDiese Arbeit ist wie folgt gegliedert:rnIn Kapitel 1 wurden die neuen, kubisch-weichferromagnetischen Heuslerphasen Fe2NiGe, Fe2CuGa und Fe2CuAl synthetisiert und charakterisiert. In vorangegangenen theoretischen Studien wurde für deren Existenz in tetragonaler Heuslerstruktur vorhergesagt.rnUngeachtet dessen belegten unsere experimentellen Untersuchungen, dass diese Verbindungen hauptsächlich in der kubischen invers Heusler(X-) struktur mit unterschiedlichen Anteilen an atomarer Fehlordnung kristallisieren. Alle Verbindungen sind weiche Ferromagneten mit hoher Curietemperatur bis zu 900K, weswegen alle als potentielle Materialien für magnetische Anwendungen geeignet sind. In Kapitel 2 wurde Mn2FeGa synthetisiert. Es zeigte sich, dass Mn2FeGa nach Temperatur Nachbehandlung bei 400°C die invers tetragonale Struktur (I4m2) annimmt. Theoretisch wurde die Existenz in der inversen kubischen Heuslerstruktur vorausgesagt. Abhängig von den Synthesebedingungen ändern sich die magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Mn2FeGa eklatant. Deshalb ändert sich die Kristallstruktur von M2FeGa bei Temperung bei 800 °C zu einer pseudokubischen Cu3Au-artigen Struktur, in welcher Fe- und Mn-Atome statistisch verteilt vorliegen. Dieser Übergang der Kristallstrukturen wurde durch Mößbauer Spektroskopie anhand des Vorliegens oder Fehlens der Quadrupolaufspaltung im Falle der invers tetragonalen bzw. pseudokubischen Modifikation nachgewiesen. In Kapitel 3 wurde Fe2MnGa ebenfalls erfolgreich synthetisiert und durch verschiedene Methoden charakterisiert. Der Zusammenhang von Kristallstruktur und magnetischen Eigenschaften wurde durch verschiedene Temperungskonditionen und mechanischer Behandlung untersucht. Der Schwerpunkt lag auf einer geschmolzenen Probe ohne weitere Temperung, die einen FM-AFM Phasenübergang zeigte. Diese magnetische Phasenumwandlung führt zu einem starken EB-Verhalten, welches seinen Ursprung hauptsächlich in der Koexistenz von FM- und AFM-Phasen unterhalb der FMAFM- Übergangstemperatur hat. Kapitel 4 ist den neuen Mn-basierten Heusler-Verbindungen Mn3−xRhxSn gewidmet, bei denen wir versuchten, durch den Austausch von Mn durch das größere Rh eine Umwandlung zu einer tetragonalen Struktur von den hexagonalen Mn3Sn-Struktur zu erreichen. Als interessant stellten sich Mn2RhSn und Mn2.1Rh0.9Sn heraus, da sie aus nur einer Phase vorzuliegen scheinen, wohingegen die anderen Verbindungen aus gemischten Phasen mit gleichzeitiger starken Fehlordnung bestehen. Im abschließenden Anhang wurden die Fehlordnung und gelegentliche Mischphasen einer großen Auswahl von Mn3−xFexGa Materialien mit 1≤x≤3, dokumentiert.rn

Hadronic matrix elements in lattice QCD

The lattice formulation of Quantum ChromoDynamics (QCD) has become a reliable tool providing an ab initio calculation of low-energy quantities. Despite numerous successes, systematic uncertainties, such as discretisation effects, finite-size effects, and contaminations from excited states, are inherent in any lattice calculation. Simulations with controlled systematic uncertainties and close to the physical pion mass have become state-of-the-art. We present such a calculation for various hadronic matrix elements using non-perturbatively O(a)-improved Wilson fermions with two dynamical light quark flavours. The main topics covered in this thesis are the axial charge of the nucleon, the electro-magnetic form factors of the nucleon, and the leading hadronic contributions to the anomalous magnetic moment of the muon. Lattice simulations typically tend to underestimate the axial charge of the nucleon by 5 − 10%. We show that including excited state contaminations using the summed operator insertion method leads to agreement with the experimentally determined value. Further studies of systematic uncertainties reveal only small discretisation effects. For the electro-magnetic form factors of the nucleon, we see a similar contamination from excited states as for the axial charge. The electro-magnetic radii, extracted from a dipole fit to the momentum dependence of the form factors, show no indication of finite-size or cutoff effects. If we include excited states using the summed operator insertion method, we achieve better agreement with the radii from phenomenology. The anomalous magnetic moment of the muon can be measured and predicted to very high precision. The theoretical prediction of the anomalous magnetic moment receives contribution from strong, weak, and electro-magnetic interactions, where the hadronic contributions dominate the uncertainties. A persistent 3σ tension between the experimental determination and the theoretical calculation is found, which is considered to be an indication for physics beyond the Standard Model. We present a calculation of the connected part of the hadronic vacuum polarisation using lattice QCD. Partially twisted boundary conditions lead to a significant improvement of the vacuum polarisation in the region of small momentum transfer, which is crucial in the extraction of the hadronic vacuum polarisation.