Diese Arbeit beschäftigt sich mit Messungen der optischen Absorption und Reflexion an dünnen aufgedampften Schichten des Verdünnungssystems Eux Sr 1-x S. Dieses Mischsystem leitet sich von dem bekannten magnetischen Halbleiter EuS durch Ersetzen der Eu^++ -Ionen durch diamagnetische Sr^++ -Ionen ab. Es handelt sich also um ein magnetisches Verdünnungssystem. Insbesondere der Bereich x<0,5 ist in den letzten Jahren sehr interessant veworden, da in diesem Bereich die langreichweitige ferromagnetische Ordnung bei tiefen Temperaturen zusammenbricht und stattdessen „Spinglaseffekte“ gefunden wurden. Die Ursache dieses Verhaltenist noch nicht endgültig geklärt.
Es werden experimentelle Techniken der Festkörperphysik erklärt, wie Herstellung dünner Schichten durch Aufdampfen, Vakuumtechnik und Tieftemperaturtechnik, Spektrale Messungen der Absorption von Licht.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
I Physikalische Grundlagen
1. Die geschichtliche Entwicklung
2. Optische Spektren und magnetische Rotverschiebung in den Eu - Chalkogeniden
3. Theoretische Modelle
a) Bandmodelle
b) Exzitonen - Modell
c) Erklärung der magnetischen Rotverschiebung in beiden Modellen
4. Magnetische und optische Eigenschaften von EuxSr1-xS
II Meßapparate
1. Das Cary 14
a) Optik
b) Elektronik
2. Der Kryostat
III Probenpräparation
1. Herstellung der Proben
2. Kontrolle der Zusammensetzung mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)
3. Kontrolle der Struktur der Proben mittels Röntgenbeugungsanalyse
IV Ergebnisse und Diskussion
1. Absorption bei Zimmertemperatur
2. Reflexion bei Zimmertemperatur
3. Interpretation der Spektren
4. Absorption bei tiefen Temperaturen, magnetische Rotverschiebung
V Zusammenfassung
Zielsetzung und Themen
Die Arbeit untersucht das optische Absorptions- und Reflexionsverhalten sowie die magnetische Rotverschiebung des Verdünnungssystems EuxSr1-xS, um die elektronische Bandstruktur und die magnetische Nahordnung in Abhängigkeit von Konzentration und Temperatur zu klären.
- Optische Messungen an dünnen aufgedampften Schichten mittels Cary 14 Spektrophotometer
- Analyse der Bandmodelle und Exzitonen-Modelle für Eu-Chalkogenide
- Methodik der Probenherstellung und röntgenanalytische Strukturkontrolle
- Diskussion der magnetischen Rotverschiebung im Bereich der Spinglasphänomene
- Vergleich zwischen theoretischen Modellen und experimentellen Spektrendaten
Auszug aus dem Buch
I. Physikalische Grundlagen
Im Jahre 1961 entdeckten Matthias, Bozorth und Van Vleck in den Bell-Telephone-Laboratorien, daß Europiumoxyd (EuO), ein Nichtleiter mit Steinsalzstruktur, unterhalb 77 K ferromagnetisch ist. Kurz nach dieser sensationellen Entdeckung wurde in drei verschiedenen Laboratorien Ferromagnetismus für EuSe (EuSe stellte sich später als antiferromagnetisch heraus) gefunden.
Die magnetischen Momente der lokalisierten, zwischenatomar nicht überlappenden 4f-Elektronen der Eu++-Ionen im EuS (Kristallgitter ebenfalls NaCl-Typ) ordnen sich unterhalb 16.5 K parallel zueinander. Eine Deutung der magnetischen Ordnung durch eine ferromagnetische Wechselwirkung J1 zwischen nächsten Nachbarn und eine schwächere antiferromagnetische Wechselwirkung J2 zwischen übernächsten Nachbarn (die beide durch Superaustausch zustande kommen) führt nach Goodenough zu einem effektiven Austauschparameter J1 der Größe J1 = (2 * b^2 * Jfd) / (4 * S^2 * U^2).
Hierbei ist b das Transfer-Integral, das das Elektron von 4f- in 5d-Zustände benachbarter Eu++-Ionen transferiert, Jfd der inneratomare 4f-5d-Austausch, S der Gesamt-4f-Spin und U die Anregungsenergie vom 4f-Niveau ins 5d t2g-Band. Die Austauschparameter bestimmen die Curie-Temperaturen der Eu-Chalkogenide.
Zusammenfassung der Kapitel
I Physikalische Grundlagen: Erläutert die historische Entdeckung des Magnetismus in Eu-Chalkogeniden sowie die theoretischen Band- und Exzitonenmodelle zur Interpretation optischer Daten.
II Meßapparate: Beschreibt den Aufbau und die Funktion des Cary 14 Spektrophotometers sowie des verwendeten Kryostaten für Messungen bei tiefen Temperaturen.
III Probenpräparation: Detailliert die Herstellung der EuxSr1-xS Proben und die analytischen Verfahren zur Überprüfung ihrer chemischen Zusammensetzung und kristallinen Struktur.
IV Ergebnisse und Diskussion: Präsentiert und interpretiert die experimentell ermittelten Absorptions- und Reflexionsspektren sowie die magnetische Rotverschiebung im Hinblick auf das gewählte physikalische Modell.
V Zusammenfassung: Fasst die wesentlichen Erkenntnisse über die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften von der Eu-Konzentration und die magnetische Nahordnung zusammen.
Schlüsselwörter
Europium, Strontium, Chalkogenide, magnetische Rotverschiebung, Absorption, Reflexion, Spektroskopie, Spinglas, Exzitonen, Bandmodell, Kristallstruktur, Curie-Temperatur, Röntgenfluoreszenzanalyse, Festkörperphysik, Magnetismus.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der physikalischen Untersuchung optischer und magnetischer Eigenschaften des Mischsystems EuxSr1-xS durch Absorptions- und Reflexionsmessungen.
Welches Ziel verfolgt die Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, das Verhalten des Verdünnungssystems bei verschiedenen Konzentrationen zu untersuchen, um die elektronische Bandstruktur und die magnetische Nahordnung zu ergründen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Arbeit verknüpft experimentelle Spektroskopie mit theoretischen Modellen des Magnetismus und der Halbleiterphysik, insbesondere unter Berücksichtigung von Spinglasphänomenen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Verwendet werden optische Spektroskopie mit einem Cary 14, die Röntgenfluoreszenzanalyse zur Konzentrationsbestimmung sowie Röntgenbeugung zur Untersuchung der Probenstruktur.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen, die Beschreibung der experimentellen Apparaturen, die Probenherstellung und die detaillierte Auswertung der Messergebnisse.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Charakteristische Begriffe sind Eu-Chalkogenide, magnetische Rotverschiebung, optische Absorption, Exzitonen-Modell und Spinglas-Verhalten.
Welche Rolle spielt die Strontium-Verdünnung?
Die schrittweise Substitution von Eu durch diamagnetisches Sr erlaubt es, den Übergang vom Ferromagnetismus hin zum Spinglas-Verhalten systematisch zu beobachten.
Wie wurde die strukturelle Qualität der Proben sichergestellt?
Die Proben wurden mittels Debye-Kameras und Röntgen-Goniometern untersucht, um die kubische NaCl-Struktur und die Orientierung der aufgedampften Filme zu validieren.
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- Dr.rer.nat. Dipl.-Physiker Udo Scheer (Author), 1980, Optische Untersuchungen an EU(x)Sr(1-x)S, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/387407
