Klaus Attenkofer, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000
Schlagwörter: X-ray absorption spectra
PACS: 78.70.Dm
Die vorliegende Arbeit zeigt auf, wie mit Hilfe polarisationsabhängiger Rumpfanregungsspektroskopie (XMCD) die lokalisierten magnetischen Momente charakterisiert und Modelle der magnetischen Kopplung verifiziert werden. Um den Einfluß der unterschiedlichen Komponenten des Valenzbandes auf die magnetische Kopplung zu untersuchen, wird ein neuartiges Verfahren entwickelt, bei dem neben der Element- auch die Symmetrieselektivität der Rumpfanregungsspektroskopie verwendet wird. Durch die Interpretation verschiedener Absorptionskanten wird die inter- und intraatomare Kopplung der jeweiligen Zustände, die die magnetischen Kopplung bewirken, getrennt analysiert und ein Gesamtmodell des mikroskopischen Magnetismus entwickelt.
Der theoretische Teil der Arbeit erklärt den Zusammenhang zwischen der magnetischen Kopplung und der Absorptionsspektroskopie. Es wird gezeigt, welche Eigenschaften der unterschiedlichen Symmetrieen des Valenz- und Leitungsbandes die verschiedenen Kopplungsmodelle bedingen und wie diese mit Hilfe der verschiedenen resonanten Absorptionen charakterisiert werden. Wesentliches Hilfsmittel ist die atomare Multiplett- Theorie und ihre Erweiterung auf das Anderson impurity model. Selbst in komplexen Systemen kann neben der intraatomaren auch die interatomare Kopplung unterschiedlicher nichtgefüllter Schalen beschrieben werden.
Die Einbeziehung der unterschiedlichen Absorptionskanten erforderte den Bau einer Meßkammer für den weichen (hw/2p < 2000 eV) und die Realisierung eines entsprechenden Experimentes im harten Röntgenbereich (hw/2p > 2000 eV). Insbesondere die Entwicklung eines hochauflösenden Vier- Kristall- Monochromators für den harten Röntgenbereich führt neben einer verbesserten Auflösung zu einer deutlichen Reduktion der sytematischen Fehler. Beide Verbesserungen waren die Voraussetzung eines quantitativen Vergleiches zwischen Daten des weichen und harten Röntgenbereiches.
Am Beispiel der beiden Probensysteme der Selten- Erd- Eisen- Granate und der Europium- Chalkogenide wird gezeigt, wie unter Verwendung unterschiedlicher Absorptionskanten die magnetische Kopplung untersucht werden kann. Im Fall der Granate wird das magnetische Kopplungsverhalten der drei verschiedenen magnetischen Untergitter qualitativ und quantitativ beschrieben. Die magnetische Kopplung der beiden Eisen- Untergitter kann dem Superaustausch zugeordnet werden. Sowohl der Ladungstransfer vom Sauerstoff zum Eisen als auch das damit verbundene magnetische Moment am Ort des Sauerstoffes wird anhand der unterschiedlichen Absorptionen nachgewiesen. Es ist somit ein direkter Nachweis des Kopplungsmodells gelungen. Für das Selten- Erd- Untergitter kann ein entsprechender Ladungstransfer in die, das ionische magnetische Moment bildenden, 4f- artigen Zustände ausgeschlossen werden. Inwieweit ein Ladungsaustausch oder aber eine Austausch--Kopplung des Leitungsbandes die magnetische Ordnung vermittelt, kann nicht entschieden werden. Anhand der Europium- Chalkogenide wird demonstriert, daß die Änderung der Elektronegativität des unmagnetischen Ions zu einer starken Änderung der gemittelten und dichroischen Absorption des Europiums wie des Chalkogenides führt. Erste atomare Modelle der Absorption können die prinzipielle Struktur der gemittelten und dichroischen Absorption wiedergeben, und machen deutlich, daß neben dem Superaustausch konkurrierende Austausch- Wechselwirkungen zur Kopplung beitragen. Die Änderung der Elektrongativität des Chalkogenides verändert die relative Stärke der unterschiedlichen Kopplungsmechanismen, was zu dem unterschiedlichen mesoskopischen magnetischen Verhalten führt. Die Kombination der Einzelergebnisse erlaubt die Bildung eines Modells, das die Unterschiede dieser mesoskopischen magnetischen Kopplung erklärt.
This thesis is demonstrating that X- ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD) is a qualified tool both for characterizing localized magnetic moments and probing magnetic coupling itself. To analyze the influence of the diverse components of the valence- and conduction bands on magnetic coupling the element- and symmetry- selectivity of core level spectroscopy is used. By the interpretation of the diverse absorption- edges, the inter- and intra- atomic coupling of the electronic states which cause the magnetic coupling can be probed separately and a mesoscopic model of the coupling mechanism can be formed.
The theoretical part illustrates how magnetic coupling can be associated with core level spectroscopy. It is shown which properties of different symmetries of the valence- and conduction- bands are the basis of the coupling model and how the diverse absorption edges can probe these. An essential tool is the atomic multiplet theory and its extension to the Anderson impurity model. Even in complex systems both the intra-- and interatomic coupling of diverse open shells can be described.
In respect to the experimental improvements it was essential to construct an ultra high vacuum chamber for the soft X-ray range (hw/2p< 2000 eV) and to implement a similar experiment for the hard X--ray range (hw/2p> 2000 eV). Particularly the development of a four crystal monochromator for the hard X--ray range causes an improvement of the resolution power and a significant reduction of the systematic errors. Both are essential preconditions for a quantitative comparison of the data in the soft and hard X--ray range.
The Rare- Earth- Iron- Garnets and the Europium- Chalcogenides are exemplifying the procedure using the information of diverse absorption edges to characterize the magnetic coupling mechanism. In the case of the Garnets the magnetic coupling of all three different magnetic sublattices are qualitatively and quantitatively described. The magnetic coupling of the two Iron-sublattices can be explained by superexchange. Both the charge transfer from Oxygen to Iron and the magnetic moment localized at Oxygen is verified studying different absorption--edges of Iron and Oxygen. Consequently, a proof of the superexchange as the dominating coupling mechanism is done. In respect to the Rare- Earth- sublattices a similar charge transfer to the 4f-like orbitals which are forming the localized magnetic moments can be excluded. It is not yet decided whether a charge transfer or an exchange coupling of the conduction bands mediates the magnetic order. By means of the Europium- Chalcogenides it is demonstrated that the electronegativity of the Chalcogenide influences not only its own averaged and dichroic spectra but also the Europium. First atomic models of the absorption can simulate roughly the structure of the averaged and dichroic spectra. Accordingly, the magnetic coupling is based on superexchange and a competing exchange interaction. The change of the electronegativity of the Chalcogenide varies the relative strength of the two different coupling mechanisms. The combination of the results of the divers absorption--edges yields to a model of magnetism which explains the different mesoscopic magnetic coupling.