Universität zu Köln

Ultimate Resolution X-ray Spectroscopy of Chemical-Effects in Manganese Compounds

Jabua, Malkhaz (2016) Ultimate Resolution X-ray Spectroscopy of Chemical-Effects in Manganese Compounds. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Hochauflösende Röntgenspektrospie stellt ein wichtiges Werkzeug zum Studium der komplexen Vorgänge in den inneren Schalen der Atome dar. Die Effekte solcher Wechselwirkungen sind besonders stark ausgeprägt im Bereich der 3d-Übergangselemente. Bei den K-beta-Übergängen sind spektroskopische Methoden weit verbreitet, um aus Energieverschiebungen und Linienbreiten Strukturinformationen für chemische Verbindungen abzuleiten. Für K-alpha Linien sollte dies mittels höchstauflösender Spektroskopie auch gelingen können, obwohl die Effekte hier wesentlich kleiner sind. Ein Vorteil ist jedoch, dass die charakteristische K-alpha-Strahlung am intensivsten ist. Um auf kleinste Effekte sensitiv zu sein, müssen im einige keV-Bereich Energiebestimmungen mit einer Genauigkeit von ca. 10 meV erreicht werden. Für die Zuordnung einer Energie zu einer Linienstruktur bietet sich als ein ausgezeichneter Punkt das absolute Maximum an. Hierzu ist wiederum eine genaue Kenntnis der Auflösungsfunktion des Spektrometers erforderlich, um Ungenauigkeiten auf Grund der i.a. asymmetrischen Linienformen möglichst zu vermeiden. Die Messungen wurden mit einem höchstauflösenden Bragg-Spektrometer durchgeführt, das für Langzeitmessungen optimiert ist. Das Spektrometer ist am Institut für Kernphysik des Forschungszentrum Jülich installiert und mit sphärisch gebogenen Kristallen ausgerüstet. Für diese Messungen wurde eine speziell optimierte Geometrie der Fluoreszenztargets und der Kristallhalterung benutzt und zum Nachweis der Röntgenstrahlung ein "charge-coupled device" (CCD) eingesetzt. Alle Komponenten waren in einem Vakuumsystem integriert. Die Fallstudie wurde am einigen chemischen Verbindungen von Mangan durchgeführt. Mangan selbst ist das Übergangsmetall mit halb gefüllter 3d-Schale, die i.a. bei ionischen Charakter der Verbindung eine besonders stabile Konstellation darstellt. K-alpha- und K-beta- Übergänge wurden unter identische Bedingungen gemessen, wodurch eine Überprüfung der experimentellen Ergebnisse an Hand der Vielzahl von K-beta-Daten möglich wurde. Bei der Energiebestimmung der K-alpha- und K-beta-Linien wurden die angestrebten 10-30 meV erreicht. Eine nahezu modellfreie Parametrisierung der Linienstruktur wurde möglich wegen der genauen Kenntnis der Auflösungsfunktion, die zum Vergleich mit theoretischen Rechnungen herangezogen werden kann. Die hier vorgestellte Arbeit beschreibt, dass die Auflösung kleiner, von der jeweiligen chemischen Verbindung abhängiger Details der komplexen Innerschalenprozesse, auch beim K-alpha-Dublett möglich ist, wenn höchstauflösende Röntgenspektroskopie eingesetzt wird.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    High-resolution X-ray spectroscopy offers a powerful tool to study the complex inner-shell interactions of electrons. Corresponding effects are particularly pronounced in the case of 3d transition metals. Spectroscopic studies of compounds are widely used in order to obtain structural information both from energy shifts and line shapes by measuring valence-to-core or outer core-to-core transitions, i.e. investigating mainly K-beta transitions. Applying ultimate-resolution spectroscopy in a suitable measurement geometry may allow to extend such studies also to the inner core transition K-alpha, though effects are much smaller here. For cases where energy shift or line shape points to specific compound structures, K-alpha lines have the advantage being by far the most intense transitions of an element's characteristic X-radiation. A sensitivity to small effects is accompanied by the need for energy calibrations to about 10 meV accuracy at energies in the few keV range. Therefore, the exact knowledge of the line shape is essential in order to associate a particular wavelength of the measured spectrum to serve as an X-ray standard, which in turn requires the exact knowledge of the spectrometer response. Typically, the peak value is chosen, where the measure for the accuracy is determined by the knowledge of the experimental response. Measurements were done by using an ultimate-resolution Bragg spectrometer optimized for long-term high-statistics measurements. This type of spectrometer, equipped with spherically bent crystals, is set up at the Institut für Kernphysik at Forschungszentrum Jülich. The measurements benefit from a suitable choice of target geometry, crystal mounting, and the use of charge-coupled devices as two-dimensional position-sensitive X-ray detectors set up within a vacuum system. The case study has been performed for a variety of compounds of manganese, which is the transition metal with the half filled $3d$ shell generally being a particular stable configuration for ionic compounds. K-alpha and K-beta X-ray emission spectra have been measured under identical conditions providing consistency checks with the numerous K-beta data. Peak energies of the K-alpha and K-beta lines were measured as envisaged to a precision of 10-30 meV and an almost model-free parametrization of the line pattern was achieved because of the precise knowledge of the spectrometer response. Such a parametrisation may serve as testing ground for detailed theoretical considerations.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Jabua, Malkhazjabuamalkhazi@gmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-69002
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    X-ray spectroscopyEnglish
    DetectorEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Kernphysik
    Language: English
    Date: 06 July 2016
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 06 July 2016
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 29 Aug 2016 15:21:47
    Referee
    NameAcademic Title
    Gotta, DetlevProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6900

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