Entwicklung eines hochauflösenden Röntgen-Einkristalldiffraktometers und Strukturuntersuchungen an La 2 - x Sr x CuO 4 - Einkristallen

Meven, Martin; Heger, Gernot

doi:285

Entwicklung eines hochauflösenden Röntgen-Einkristalldiffraktometers und Strukturuntersuchungen an La 2 - x Sr x CuO 4 - Einkristallen

Meven, Martin (Author)

2001 & 2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Meven

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2001

UmfangV, 145 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Prüfungsjahr: 2001. - Publikationsjahr: 2002

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Heger, Gernot (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-05-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2858
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62804/files/02_024.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Cuprate (frei) ; Hochtemperatursupraleiter (frei) ; Lanthanverbindungen (frei) ; Neutronendiffraktometrie (frei) ; Röntgendiffraktometer (frei) ; Strontiumverbindungen (frei) ; Geowissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Der erste, mehr methodisch orientierte Teil dieser Arbeit schildert die Entwicklung eines neuen hochauflösenden Röntgen-Einkristalldiffraktometers (kurz: RED) und dessen Einsatzmöglichkeiten. Es wird gezeigt, daß die konsequente Nutzung der gegenwärtig verfügbaren Technik sehr vielfältige und auch neue experimentelle Möglichkeiten für die Strukturuntersuchung von Einkristallen mit Röntgenstrahlung im Laborbetrieb erlaubt. Der rasche Wechsel zwischen verschiedenen Strahloptiken ermöglicht ein flexibles und effizientes wissenschaftliches Arbeiten. Zur Verfügung stehen eine Standardoptik für die Aufnahme von Bragg-Datensätzen (Cu-K_alpha- und Mo-K_alpha-Strahlung), ein zusätzlicher Sekundärmonochromator für rein elastische Beugungsmessungen sowie ein Ge-Vierfach-Monochromator für hochauflösende Messungen mit reiner Cu-K_alpha1-Strahlung. Die Standardoptik ermöglicht in Verbindung mit dem großen Dynamikbereich der verwendeten Detektoren (max. 500.000 cps linear) die Untersuchung von Strukturen mit extremen Intensitätsunterschieden. Durch die Erweiterung mit einem closed-cycle Kryostaten können detaillierte temperaturabhängige Strukturuntersuchungen bis zu einer Temperatur von 20 K durchgeführt werden, um zum Beispiel strukturelle Phasenübergänge zu studieren. Die mit dem Ge-Vierfach-Monochromator erreichbare Hochauflösung liegt in der Größenordnung von vergleichbaren Geräten an Synchrotronquellen (z. B. Si-(111)-Reflex mit einer Halbwertsbreite <0.0030°). Dies ermöglicht äußerst präzise Profilanalysen zur genauen Charakterisierung der Probengüte und kleinster struktureller Verzerrungen. Obwohl prinzipbedingt die nutzbare Strahlungsintensität am RED geringer ist als an einem Synchrotron, zeigen die Untersuchungen an verschiedenen Proben, daß die umfangreichen Möglichkeiten des RED Einsatzgebiete im heimischen Labor eröffnet, die ansonsten nur durch ein Gerät am Synchrotron abgedeckt werden können. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt Strukturuntersuchungen mit Neutronenbeugung an Strontium-dotiertem Lanthankuprat La(2-x)Sr(x)CuO4 (LSCO), einem Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL). LSCO ist ein Schichtperovskit, der bis x=0.21 einen strukturellen Phasen- übergang von einer tetragonalen Hochtemperatur-(HTT-) zu einer ortho- rhombischen Tieftemperatur-(LTO-)Phase durchläuft. In der LTO-Phase sind die CuO6-Oktaeder in geordneter und wohldefinierter Weise gegenüber den CuO4-Ebenen verkippt. Die Frage nach der möglichen Kopplung zwischen Supraleitung und Gitterstruktur der HTSL konnte bisher nicht abschließend geklärt werden. Die in jüngerer Zeit von verschiedenen Arbeitsgruppen aus lokalen Untersuchungsmethoden an LSCO mit x=0.15 (max. Tc=38 K) gefolgerten und zum Teil sehr gravierenden Abweichungen der lokalen Struktur von der mittleren Struktur stoßen daher auf großes Interesse. Die Diffraktion mit schnellen Neutronen ermöglicht die genaue Bestimmung der mittleren Auslenkungsquadrate (MAQ) der Atome in der Struktur. Dies erlaubt klare Aussagen über die Obergrenzen lokaler Abweichungen von der mittleren Struktur und somit eine Überprüfung der verschiedenen postulierten Modelle. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Satz von Neutronen-Diffraktions- experimenten an LSCO-Proben (x=0.15) bei verschiedenen Temperaturen ober- und unterhalb des strukturellen Phasenübergangs durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine temperaturunabhängige Vergrößerung der Sauerstoff-MAQ in CuO6-Oktaeder-Kipprichtung. Dies entspricht einer kleinen (<2°) Variation um den temperaturabhängigen Mittelwert und ist – auch quantitativ – kompatibel zu harmonischen gitterdynamischen Rechnungen unter Einbeziehung einer durch die Sr-Dotierung hervorgerufenen statischen Fehlordnung. Verschiedene postulierte lokale Abweichungen wie ein Ordungs-Unordnungs-Phasenübergang oder extreme Kippwinkel (ca. 16°) einer größeren Anzahl von Oktaedern können daher ausgeschlossen werden. Dies schränkt die möglichen Interpretationen der aus lokalen Strukturuntersuchungen gewonnenen Ergebnisse deutlich ein. Die Supraleitung selbst hat auf makroskopischer Skala bis auf das Einfrieren der Kippwinkel keinen signifikanten Einfluß auf die Struktur. Die Untersuchungen des Sauerstoffgehalts weisen einen merklichen Einfluß auf den Phasenübergang der LSCO-Struktur bereits bei kleinen Variationen nach. Dies unterstreicht, wie wichtig eine gute Charakterisierung von LSCO-Proben – insbesondere der Stöchiometrie – ist, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse aus verschiedenen Untersuchungen oder Quellen sicherzustellen.

The first part of this thesis describes the development of a new high resolution x-ray single crystal diffractometer (RED) and its multiple applications. It is shown that the application of the presently available technologies allows very flexible and even completely new possibilities of structural investigations of single crystals with x-rays in laboratories. The quick exchange between different beam optics allows flexible and efficient scientific work. Available are standard optics for Bragg data collection (Cu-K_alpha- and Mo-K_alpha radiation), an additional secondary monochromator unit for pure elastic scattering experiments and a Ge-fourfold monochromator for high resolution measurements using pure Cu-K_alpha_1 radiation. The standard optics allow in combination with the large dynamical ranges (max. 500.000 cps linear) of the available detectors detailed investigations of structures with extreme differences between integrated intensities. Furthermore, detailed temperature dependent measurements can be performed down to 20 K by using an additional closed-cycle cryostat, e.g. for structural investigations at phase transitions. The Ge-fourfold monochromator yields high resolutions comparable to those of similar instruments at synchrotron sources (e.g. Si-(111) reflection with a halfwidth of < 0.0030°, Rocking scan). This allows a very precise analysis of reflection profiles for characterization of sample quality and the observation of smallest structural distortions. On principle the available radiation intensity of the RED is significantly smaller than that of a synchrotron. Nevertheless measurements of several samples show that the flexibility of the RED yields scientific possibilities for structural investigations at the home laboratory which are normaly available only at synchrotron facilities. The second part of this work describes structural investigations with neutron diffraction of strontium doped lanthanium cuprate La(2-x)Sr(x)CuO4 (LSCO), a high-temperature-superconductor (HTSC). LSCO is a layered perovskite which undergoes a structural transition from a high-temperature tetragonal phase (HTT) to a low temperature orthorhombic phase (LTO) up to x=0.21. In the LTO-phase the CuO6 octahedrons are tilted in an ordered and well defined manner against the CuO4-planes. Up to now, the question of the possible coupling between superconductivity and lattice structure of the HTSC could not be finally answered. As a result of this experts are highly interested in the recent conclusions of different working groups using local methods on LSCO with x=0.15 (max. Tc=38 K). They deviate from their results partially strong deviations of the local structure from the mean structure. Diffraction with fast neutrons enables the accurate distinction of the mean square displacements (msd) of the atoms. This allows clear statements about the upper limits of the local deviations from the mean structure, which gives the opportunity to check the different postulated models.Therefore, a set of neutron diffraction experiments was performed during this thesis on LSCO samples (x=0.15) at different temperatures above and below their structural phase transitions. The results show an enlargement of the msd of the oxygens into the tilt directions of the CuO6-octahedrons which is independent from temperature. This yields small (<2°) variations around the temperature dependent average values and is compatible – also quantitatively – to harmonic lattice dynamical calculations which take a statical disorder caused by Sr-doping into account. Because of this, different postulated local deviations like an order-disorder transition or a large tilt (about 16°) of a larger number of CuO6-octahendrons can be excluded. The results of this work limit the possible interpretations of the results from local structure investigations significally. Superconductivity itself has – on a macroscopic scale – no significant influence on the structure except of the freeze-in of the tilt angles. The investigation of the oxygen content shows a significant influence on the phase transition of the LSCO structure even for small variations. This emphasizes the importance of an accurate characterization of LSCO samples – especially of their stochiometry – to assure the comparability of results from different investigations and sources.

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