A novel approach to study pressure-induced phase transitions of nano-structured materials: The barium giant dipole resonance
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde der Einfluss der lokalen Umgebung um ein Bariumatom auf dessen Dipolresonanz untersucht. Ziel war es die Modulation der spektralen Form der Dipolresonanz durch Änderung der Umgebung, in die das Barium Atom eingebettet ist, näher zu verstehen und gegebenenfalls die Resonanzmodulation für die Untersuchung der atomaren und elektronischen Struktur von komplexen Barium-Silizium Verbindungen unter extremen Druckund Temperaturbedingungen auszunutzen. Zu diesem Zweck wurde die Dipolresonanz an der Barium N4,5 Absorptionskante mittels Röntgen-Raman Streuung abhängig von der Größe des Impulsübertrags für die Verbindungen BaSi2, BaSi6 und Ba8Si46 gemessen. Diese drei Verbindungen weisen stark unterschiedliche Silizium Umgebungen für das Bariumatom auf. Insbesondere ist Barium in BaSi6 in Silizium-Röhren und im Ba8Si46 in Silizium-Käfigen lokalisiert. Die experimentellen Resultate wurden mit Rechnungen der Dipolresonanz im Rahmen der zeitabhängigen lokalen Dichtenäherung verglichen. Die Modellrechnungen sagen eine deutliche Modulation der Dipolresonanz in den untersuchten Verbindungen voraus, welche in den experimentellen Ergebnissen nicht bestätigt werden konnte. Dieser experimentelle Befund konnte auf lokale strukturelle Unordnung in Bezug auf die Silizium Umgebung und/oder eine Variation der Position des Bariumatoms bezüglich des Symmetriezentrums zurückgeführt werden. Darüber hinaus wurde die Impulsabhängigkeit des Röntgen-Raman Streusignals an der N4,5 Absorptionskante näher untersucht. Bei kleinen Impulsüberträgen dominiert die Dipolresonanz das Anregungsspektrum. Dagegen wird diese Resonanz bei hohen Impulsüberträgen stark unterdrückt und das Spektrum durch atomare Multipolübergänge dominiert. Die Übergänge konnten mittels Multiplett-Rechnungen Oktupolund Triakontadipol-Anregungen zugeordnet werden. Diese Untersuchung lieferte ein vollständiges Verständnis der Abhängigkeit der Röntgen-Raman Spektren vom Betrag des Impulsübertrags. Die generelle Formänderung der Anregungsspektren konnte dementsprechend erklärt werden. Im Experiment wurde eine Modulation der Dipolresonanz im Vergleich zum atomaren Barium nachgewiesen, allerdings wurde eine weitere Modulation aufgrund geänderter lokaler Struktur nicht beobachtet. Dahingehend ist festzustellen, dass die Dipolresonanz nur für hochsymmetrische Systeme mit nur einer Barium Symmetrieposition geeignet ist, als Indikator für lokale strukturelle und elektronische Phasenübergänge zu dienen. Die hier untersuchten Materialen sind für derartige Untersuchungen bereits zu komplex und die Symmetrie der Umgebung, in der sich das Bariumatom befindet, nicht ausreichend. Hier ist zu empfehlen, weitere Untersuchung an zum Beispiel Bariuminterkalierten Fullerenen (Ba@C60) aufgrund der hohen Symmetrie durchzuführen. In diesen Systemen ist eine hohe Sensitivität auf Störungen der Symmetrie durch äußere Einflüsse wie Druck und Temperatur zu erwarten. Im weiteren Verlauf des Projektes wurde zusätzlich die temperaturinduzierte Strukturänderung in amorphen komplexen Silizium-Germanium-Oxiden untersucht und Produktionswege für Oxideingebettete Silizium Nanokristalle identifiziert. Die generelle Möglichkeit, komplexe Probenumgebungen für Hochdruck- und Hochtemperatur- Experimente mittels Röntgen-Raman Spektroskopie zu verwenden, wurde erfolgreich anhand der Untersuchung von überkritischem Wasser gezeigt und lässt sich auf die Untersuchung von druck- und temperaturinduzierten Phasenübergängen an Fullerenen, Clathraten und anderen komplexen Verbindungen leichter Elemente übertragen.
Publications
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Phase separation and nanocrystal formation in GeO, Applied Physics Letters 95, 021910 (2009)
Ch.J. Sahle, C. Sternemann, H. Conrad, A. Herdt, O.M. Feroughi, M. Tolan, A. Hohl, R. Wagner, D. Lützenkirchen-Hecht, R. Frahm, A. Sakko, and K. Hämäläinen
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Temperature induced structural changes of tetrahydrofuran clathrate and of the liquid water/tetrahydrofuran mixture, Journal of Physical Chemistry C 115, 21009 (2011)
F. Lehmkühler, A. Sakko, I. Steinke, C. Sternemann, M. Hakala, Ch.J. Sahle, T. Buslaps, L. Simonelli, S. Galambosi, M. Paulus, T. Pylkkänen, M. Tolan, and K. Hämäläinen
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Phase separation and Si nanocrystal formation in bulk SiO studied by x-ray scattering, Applied Physics Letters 96, 081912 (2010)
O.M. Feroughi, C. Sternemann, Ch.J. Sahle, M.A. Schroer, H. Sternemann, H. Conrad, A. Hohl, G.T. Seidler, J. Bradley, T.T. Fister, M. Balasubramanian, A. Sakko, K. Pirkkalainen, K. Hämäläinen, and M.Tolan
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Suboxide interface in disproportionating a-SiO studied by x-ray Raman scattering, Physical Review B 81, 205317 (2010)
A. Sakko, C. Sternemann, Ch.J. Sahle, H. Sternemann, O.M. Feroughi, H. Conrad, F. Djurabekova, A. Hohl, G.T. Seidler, M. Tolan, and K. Hämäläinen
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Ge-Si-O phase separation and Ge nanocrystal growth in Ge:SiOx/SiO2 multilayers - a new dc magnetron approach, Nanotechnology 22, 485303 (2011)
M. Zschintzsch, Ch.J. Sahle, J. von Borany, C. Sternemann, A. Mücklich, A. Nyrow, A. Schwamberger, and M. Tolan
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Influence of hydrogen on thermally induced phase separation in GeO/SiO2 multilayers, Nanotechnology 22, 125709 (2011)
Ch.J. Sahle, M. Zschintzsch, C. Sternemann, J. von Borany, A. Mücklich, A. Nyrow, N.M. Jeutter, R. Wagner, R. Frahm, and M. Tolan
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Microscopic structure of water at elevated pressures and temperatures, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110, 6301 (2013)
Ch.J. Sahle, C. Sternemann, C. Schmidt, S. Lehtola, S. Jahn, L. Simonelli, S. Huotari, M. Hakala, T. Pylkkänen, A. Nyrow, K. Mende, M. Tolan, K. Hämäläinen, and M. Wilke
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Structural changes in amorphous GexSiOy on the way to nanocrystal formation, Nanotechnology 24, 165701 (2013)
A. Nyrow, C. Sternemann, Ch.J. Sahle, A. Hohl, M. Zschintzsch-Dias, A. Schwamberger, K. Mende, I. Brinkmann, M. Moretti Sala, R. Wagner, A. Meier, F. Völklein, and M. Tolan
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The Ba 4d-4f giant dipole resonance in complex Ba/Si compound, Journal of Physics B 47, 045102 (2014)
Ch.J. Sahle, C. Sternemann, H. Sternemann, J.S. Tse, R.A. Gordon, S. Desgreniers, S. Maekawa, S. Yamanaka, F. Lehmkühler, D.C.F. Wieland, K. Mende, S. Huotari, and M. Tolan
