Blick in die Tiefe: Unterschiedliche elektronische Zustände in Halbleitern, Metallen und Ferromagneten beobachtet

Wissenschaftler der Uni Mainz nutzen neuartige Lichtquelle zum Blick ins Innere von Heusler-Materialien

Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es gelungen, in die Struktur von Heusler-Materialien vorzudringen und das Verhalten der Elektronen zu beobachten. Sie verwenden dazu eine besondere Form der Photoelektronenspektroskopie, die es möglich macht, viel tiefer als bisher in die Materie vorzudringen und die elektronische Beschaffenheit zu untersuchen. "Wir konnten dazu eine neuartige, sehr brillante Lichtquelle aus Japan nutzen. Dadurch hatten wir eine ausreichend große Lichtintensität, um ins Innere der Heusler-Drähte zu blicken", erklärt Gerhard Fecher, der die Arbeiten am Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie der JGU leitet.

Bei Heusler-Materialien handelt es sich um intermetallische Stoffe, die von Friedrich Heusler Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt wurden. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihre einzelnen Bestandteile nicht magnetisch sind, in einer Legierung sich zusammen jedoch als Ferromagnet erweisen können. Es wird von dieser Gruppe mit über 1500 Verbindungen erwartet, dass sie einen wesentlichen Beitrag zu neuen Werkstoffen besonders für die Informationsverarbeitung liefern. Für ihre Untersuchungen haben die Wissenschaftler zwei Heusler-Verbindungen auswählt: Nickeltitanzinn und Nickelmanganantimon. Nickeltitanzinn ist ein Halbleiter, der aus drei Metallen besteht, die einzeln keine Halbleiter sind. Das Material wird jetzt schon in der thermoelektrischen Energieerzeugung eingesetzt, etwa in Auspuffen für die Wärmerückgewinnung. Nickelmanganantimon war das erste Material, von dem 1983 aufgrund theoretischer Erwägungen vorhergesagt wurde, dass es einen Spinstrom haben würde. Der Spin der Elektronen, den man sich als eine Art Drehrichtung vorstellen kann, wird in der Zukunftselektronik "Spintronik" genutzt.

"Anhand der zwei unterschiedlichen Materialien wollten wir feststellen, woher ihre Eigenschaften kommen, was den Unterschied ausmacht zwischen einem Halbleiter, einem Metall und einem Ferromagneten", erklärt Fecher. Mit Hilfe von Licht, das durch einen Diamantkristall polarisiert wurde, konnten die Chemiker feststellen, dass die Leuchtelektronen in den jeweiligen Materialien einen anderen Charakter haben. "Damit haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass sich die elektronischen Zustände in Halbleitern, Metallen und Ferromagneten unterscheiden", fasst Fecher die Ergebnisse zusammen.

Mit einer ganz ähnlichen Methode haben internationale Forschungen, an denen ebenfalls Wissenschaftler aus Mainz beteiligt sind, vor kurzem die Eigenschaften in tiefen Schichten untersucht. Auch in diesem Fall war es gelungen, den Charakter von Elektronen im Kristallinnern zu erkennen.

Die beteiligten Mainzer Wissenschaftler, Gerhard Fecher und Benjamin Balke, forschen im Arbeitskreis von Univ.- Claudia Felser, die auch die Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ) leitet. Die Graduiertenschule wurde in der Exzellenzinitiative im Jahr 2007 bewilligt und bewirbt sich zurzeit mit einem Folgeantrag in der zweiten Phase des Wettbewerbs. MAINZ besteht aus Arbeitsgruppen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Technischen Universität Kaiserslautern und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung. Exzellente Doktoranden der Naturwissenschaften aus dem In- und Ausland erhalten durch die Graduiertenschule eine herausragende Ausbildung auf dem Gebiet der Materialwissenschaften.

Veröffentlichung

Siham Ouardi, Gerhard H. Fecher, Xeniya Kozina, Gregory Stryganyuk, Benjamin Balke, and Claudia Felser, Eiji Ikenaga, Takeharu Sugiyama, Naomi Kawamura, and Motohiro Suzuki, Keisuke Kobayashi,
Symmetry of Valence States of Heusler Compounds Explored by Linear Dichroism in Hard-X-Ray Photoelectron Spectroscopy, Physikal Review Letters, 15 Juli 2011,
DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.036402

Veröffentlichung

A. X. Gray, C. Papp, S. Ueda, B. Balke, Y. Yamashita, L. Plucinski, J. Minár, J. Braun, E. R. Ylvisaker, C. M. Schneider, W. E. Pickett, H. Ebert, K. Kobayashi and C. S. Fadley, Probing Bulk Electronic Structure with Hard-X-Ray Angle-Resolved Photoemission, Nature Materials, 14 August 2011,
DOI: 10.1038/nmat3089