Universität Osnabrück, Graduiertenkolleg Mikrostruktur oxidischer

GRADUIERTENKOLLEG MIKROSTRUKTUR OXIDISCHER KRISTALLE 41
ODMR über den magnetischen Zirkulardichroismus von paramagnetischen
Störstellen in oxidischen Kristallen
Beginn des Projektes: 01.08.1998
Dipl.-Phys. Michael Pape
Betreuer: Dr. H.-J. Reyher, Prof. Dr. O. F. Schirmer
Zusammenfassung
Ziel des Teilprojektes ist es, Defektstrukturen in verschiedenen oxidischen Materialien aufzuklären. Dabei hat
sich die ODMR in Verbindung mit konventioneller EPR als ein „schlagkräftiges Instrument“ erwiesen. Es wurde
ein photorefraktives Material, Bi12SiO20 (BSO), MgO und KTaO3, sowie Neodym dotiertes YAG spektroskopisch
untersucht. Eine quantitative Auswertung der Bi-Antisite Konzentration in zwei BSO Proben konnte einen
wichtigen Ansatz zur Klärung der Frage liefern, inwieweit der intrinsische Defekt am photorefraktiven Effekt
beteiligt ist. Gebundene Lochpolaronen besitzen in MgO und KTaO3 unterschiedliche Grundzustandswellenfunktionen.
Diese macht den Vergleich der magnetooptischen Eigenschaften dieser Zentren in beiden Materialien
besonders interessant.Durch den tagged-MCD konnten erstmals die optischen Spektren der beiden Zentren
zweifelsfrei identifiziert und miteinander verglichen werden. Die EPR- und ODMR-Untersuchungen an
YAG:Nd erbrachten den Nachweis eines Defektzentrums, das nicht mit dem bekannten „Nd auf Yttrium-Platz“
identisch ist.
Methoden
Mittels konventioneller Elektronen paramagnetischer Resonanz (EPR) und optisch detektierter magnetischer
Resonanz (ODMR) kann die submikroskopische Struktur, wie z.B. Symmetrie, Ladungsstufe oder Eigenschaften
der den Defekt umgebenden Liganden aufgeklärt werden. Die Methode der ODMR erlaubt eine eindeutige
Korrelation zwischen den EPR Eigenschaften eines aktiven Zentrums und dessen optischen Absorptionsbanden.
Der magnetische Zirkulardichroismus (MCD) dient dabei als Meßgröße. Mit dem sogenannten tagged- oder
„etikettierten“ MCD läßt sich beim fest eingestellten B-Feld der MCD eines bestimmten, in Resonanz befindlichen
Zentrums vom gesamten MCD abseparieren. Damit sind die optischen Banden des betreffenden Zentrums
identifiziert, was in herkömmlicher Absorptionsspektroskopie häufig sehr schwer oder unmöglich ist.
Stand der Forschung
Sillenite
Die Kristalle mit Sillenit-Struktur, wie z.B. Bi12TiO20, Bi12GeO20 oder Bi12SiO20 sind aufgrund ihrer
photorefraktiven Eigenschaften interessant für optische Anwendungen. In der Vergangenheit sind Sillenite mit
verschiedensten Dotierungen dahingehend untersucht worden, die lichtinduzierten Prozesse zu verstehen und
mit diesem Wissen die photorefraktiven Eigenschaften dieser Materialien zu optimieren. Da keine Korrelation
zwischen photorefraktiven Eigenschaften und Dotierung gefunden werden konnte, wurde ein intrinsischer
Defekt als photorefraktiv aktives Zentrum vermutet. Mit MCD/ODMR-Messungen ist es gelungen, das Bi-
Antisite Defektzentrum, als diejenige intrinsische Störstelle zu identifizieren, die mit großer Wahrscheinlichkeit
für die photorefraktive Empfindlichkeit in diesen Kristallen verantwortlich ist [1]. Die hier beschriebenen
Arbeiten bauen auf diesen Erfolgen auf.
Lochpolaronen in Magnesiumoxid (MgO) und Kaliumtantalat (KTaO3)
Im Rahmen der Dissertationen von B. Faust [2] und N. Hausfeld [3] (Projektbereich C4 des SFB 225) sind in
Kaliumtantalat (KTaO3) mit ODMR eine große Anzahl von verschiedenen Fe-Defekten sowohl hinsichtlich
ihrer EPR-, als auch ihrer optischen Eigenschaften beschrieben worden. Darüberhinaus war es möglich, nach
Beleuchtung des Kristalls mit Licht der Wellenlänge λ < 650 nm metastabile Ο - - Lochpolaronen nachzuweisen.
Dabei handelt es sich um ein am Sauerstoff Ο 2- lokalisiertes Loch, das von einer Kationenstörstelle benachbart
ist. Ein analoges Zentrum - in der Literatur mit V - bezeichnet - ist in MgO und diversen anderen Erdalkali-
Oxiden schon seit langem bekannt und mit verschiedenen experimentellen Methoden untersucht worden. In
Fortsetzung an die oben genannten Arbeiten, soll im laufenden Projekt des Graduiertenkollegs eine Vergleichs-