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Photoemissionsspektroskopie Photoemissionsspektroskopie ermöglicht elektronische Untersuchungen im Kristallinneren

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Physikalische Eigenschaften fester Stoffe beruhen auf elektronischen Zuständen im Materialinneren. Diese Zustände in bisher ungeahnter Tiefe zu untersuchen, gelang nun einem internationalen Forscherteam unter Jülicher Beteiligung. Der Methode wird ein beträchtliches Potenzial für die Materialforschung vorhergesagt.

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1 Schnitt durch die Elektronenverteilung im Inneren von Wolfram (gemessene Werte). Die Farbhelligkeit zeigt die Elektronendichte an: je heller, desto mehr Elektronen. Die X-Achse entspricht der Wellenvektorskala, die Y-Achse der Energieskala. (Bild: FZ Jülich)
1 Schnitt durch die Elektronenverteilung im Inneren von Wolfram (gemessene Werte). Die Farbhelligkeit zeigt die Elektronendichte an: je heller, desto mehr Elektronen. Die X-Achse entspricht der Wellenvektorskala, die Y-Achse der Energieskala. (Bild: FZ Jülich)

Jülich – Die Forscher aus Deutschland, den USA und Japan nutzten für ihre Messungen die etablierte Methode der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie. Die Methode wird seit den 1970er-Jahren angewandt. Wissenschaftler bestrahlen dabei Proben mit Licht; dadurch lösen sich Elektronen aus dem Material. Die Winkel- und Energieverteilungen der austretenden Elektronen geben Informationen über die elektronischen Zustände der Probe, zum Beispiel die Position und Bewegung von Elektronen oder magnetische Eigenschaften.

Dies war bisher aber nur für die obersten fünf bis zehn Atomlagen an Oberflächen möglich. Aus tieferen Schichten gelangten zu wenige Elektronen in die Detektoren der Messgeräte. Die an dem Projekt beteiligten Wissenschaftler stimmten jetzt am Synchroton SPring-8 in Japan die Lichtquelle so ab, dass möglichst viele Photonen auf kleinster Fläche die Probe erreichten.

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Tiefer Blick auf die inneren Elektronen von Wolfram und Galliumarsenid

Experimentalphysiker aus Jülich, Erlangen, Mainz und Berkeley optimierten das verwendete Spektrometer und untersuchten Probenmaterialien mit geringer Gitterschwingung, um möglichst detaillierte Ergebnisse zu erhalten. Theoretische Physiker aus München und Davis entwickelten Modelle, mit denen sich die Messergebnisse interpretieren ließen. Mit dem besonders brillanten Licht hoher Energie von bis zu sechs Kiloelektronenvolt, einem spezialisierten Elektronenspektrometer und geschickt ausgewähltem Probenmaterial konnten die Wissenschaftler dann einen mehr als zehnmal tieferen Blick auf die Elektronen im Inneren von Wolfram und Galliumarsenid werfen.

Originalveröffentlichung: Probing bulk electronic structure with hard X-ray angle-resolved photoemission, A.X. Gray et al, Nature Materials, Online-Veröffentlichung vom 14. August 2011, DOI:10.1038/nmat3089

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