Sonderprojekte zwischen Bayern und Florida
Physics Dept. E13
Technische Universität München
College of Optics and Photonics
University of Central Florida
Kombinierte Neutronen- und Ramanspektroscopie ungeordneter und nanostrukturierter Materialien
Durch die Kombination verschiedener spektroskopischer Methoden kann man wichtige Aufschlüsse über die Struktur und die Dynamik von Materialien erhalten. Wir bilden ein internationales Team zur gemeinsamen Erforschung von Schwingungseigenschaften ungeordneter und nanostrukturierter Materialien mit Hilfe von inelastischer Neutronen- und Ramanstreuung. Wir verwendendie Neutronenquelle ''Heinz Maier-Leibnitz'', Garching, sowie die Raman-Apparaturen beider Experimentallabors (UCF Orlando und TUM Garching). Bei unseren Untersuchungen interessieren wir uns für folgende Materialkassen: (i) Phosphatgläser für optische Verstärker [1], (ii) Ceriumoxid-Nanokomposite für Anwendungen bei im Brennstoffzellenbereich, für Gassensoren, ultraviolettabsorbierende Materialien und Hochtemperatur-beschichtungen.
Die strukturellen und Schwingungseigenschaften dieser Materialien werden mit Hilfe von inelastischer Neutronenstreuung und Ramanstreuung untersucht. Wir stützen uns dabei auf eine kürzlich entwickelte Theorie [3], welche einen Zusammenhang zwischen dem Raman- und dem Neutronenspektrum herstellt. Diese Kombination versetzt uns in die Lage, Materialien für optimale Anwendungen maßzuschneidern.
[1] A. Schulte, Y. Guo, W. Schirmacher, T. Unruh, T. Cardinal, Vibrational Spectroscopy, in press
[2] S. Patil, S. Seal, Y. Guo, A. Schulte, J. Norwood, Appl. Phys. Lett. 88, 243110 (2006)
[3] W. Schirmacher, B. Schmid, Phys. Rev. Lett. 100, 137402(2008)
Abschlussbericht
Durch die kombinierte Anwendung unterschiedlicher spektroskopischer Methoden kann man wichtige Informationen über die Struktur und die Dynamik der untersuchten Materialien erhalten. Wir haben eine Arbeitsgruppe zur kombinierten Untersuchung von Schwingungseigenschaften ungeordneter und nanostrukturierter Materialien mit Neutronen- und Ramanspektroskopie gebildet. Wir verwenden die Neutronenquelle “Heinz Maier-Leibnitz'', Garching und die Ramanapparaturen beider Laboratorien. Weitere Mitglieder unserer Arbeitsgruppe sind Prof. Sudipat Seal (Nanoscience Technology Center, UCF), Prof. Tobias Unruh, Univ. Erlangen-Nürnberg (früher FRM II, Garching) und Bernhard Schmid, Univ. Mainz. Im Rahmen unserer Forschungsprojekte, die noch weiter laufen, fokussieren wir unser Interesse auf zwei Materialklassen: (i) Phosphatgläser für optische Verstärker [1], sowie (ii) Ceroxid-Nanoverbundstoffe mit Anwendungen für Brenstoffzellen, Gassensoren, Ultraviolett-Absorptionsmittel und Hochtemperaturbeschichtungen [2]. Mit Hilfe einer kürzlich erstellten Theorie [3], in der ein Zusammenhang zwischen den bei der Ramanstreuung und der Neutronenstreuung auftretenden Spektralfunktionen hergestellt wird, ist es uns möglich, die Schwingungs- und Struktureigenschaften der untersuchten Materialien zu extrahieren. Das eröffnet uns die Möglichkeit, maßgeschneiderte Materialien zu entwickeln, bei denen die Anwendungseigenschaften optimiert sind. Kürzlich durchgeführte Messungen und weitere theoretischen Berechnungen waren die Grundlage für Publikationen [4,5] über die Materialklasse (i). Eine weitere Publikation ist in Vorbereitung.
Die Ceriumoxid-Nanoteilchen (Materialklasse ii) werden durch Prof. Seal und seine Gruppe synthetisiert und mit Hilfe von Elektronenmikroskopie und Röntgenkristallanalyse charakterisiert. An dieser Materialklasse haben wir im Sommer Messungen mit Hilfe des TOF-TOF-Neutronenspektrometers, sowie der Ramanapparatur des Instituts E13 durchgeführt. Die finanzielle Hilfe von BaCaTec wurde für die Aufentalts und Reisekosten für den Garching-Aufenthalt von Prof. Schulte verwendet, sowie für die entsprechenden Kosten für einen Aufenthalt von Prof. Schirmacher in Florida. Während des letzteren Aufenthalts wurde die theoretische Aufarbeitung der Messungen und ein Teil der Publikationen erstellt, sowie tiefgehende Diskussionen mit Prof. Seal über die einzigartigen Eigenschaften der Ceriumoxidmaterialien und über zukünftige Zusammenarbeiten durchgeführt.
[1] A. Schulte, Y. Guo, W. Schirmacher, T. Unruh, T. Cardinal, Vibrational Spectroscopy, 48, 12 (2008)
[2] S. Patil, S. Seal, Y. Guo, A. Schulte, J. Norwood, Appl. Phys. Lett. 88, 243110 (2006)
[3] W. Schirmacher, B. Schmid, Phys. Rev. Lett. 100, 137402(2008)
[4] T. Unruh, A. Schulte, Y. Guo, B. Schmid, W. Schirmacher, J. Noncryst. Sol. in press (see attachment).
[5} A. Schulte, Y. Guo, W. Schirmacher, B. Schmid, T. Cardinal, T. Unruh. Proc. XXIIth Intl. Conf. on Raman Spectroscopy, Eds. P. M Champion, L. D. Ziegler, AIP Conf. Proc., vol 1267, 257-258 (2010) (see attachment).
[6] A. Schulte, W. Schirmacher, T. Cardinal, S. Seal, T. Unruh, User Meeting 2010, Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM 2)