@phdthesis{Praetorius2015,
  author    = {Praetorius, Christian Michael},
  title     = {Ce M4,5 XAS and XMCD as Local Probes for Kondo and Heavy Fermion Materials - A Study of CePt5/Pt(111) Surface Intermetallics -},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-132504},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {The aim of the present thesis is to explore the potential of X-ray magnetic circular dichroism(XMCD) experiments on gaining new insights into Kondo and heavy fermion materials. XMCD, which is derived from X-ray absorption spectroscopy (XAS), allows probing magnetic polarization specific to the different elements in a material and to their atomic orbitals. In particular, at the Ce M4,5 edges the method is sensitive to the localized 4f level, which provides the magnetic impurity moment responsible for Kondo physics in Ce compounds. Hence, Ce M4,5 XMCD is ideally suited to investigate local magnetism in the presence of interaction of impurity and conduction electrons in such materials. As a model material, CePt5/Pt(111) surface intermetallics were chosen for the present study. This thin-film material can be prepared by well-defined procedures involving molecular beam epitaxy. Crystalline Ordered samples are obtained by exploiting the single-crystallinity of the Pt(111) substrate. The surface character of thin films ideally matches the probing depth of soft X-ray spectroscopy in the total electron yield mode. The XMCD and XAS experiments, taking into account dependence on temperature, angle of incidence, sample thickness and external magnetic field, revealed the presence of four relevant energy scales that influence the magnetic response: 1. The 4f level in CePt5/Pt(111) is subject to significant crystal field (CF) splitting, which leads to reorganization of the six j = 5/2 sublevels. The hexagonal symmetry of the crystal structure conserves mj as a good quantum number. The proposed CF scheme, which is derived from measurements of the paramagnetic susceptibility by XMCD as well as linear dichroism in XAS, consists of nearly degenerate |1/2> and |3/2> doublets with the |5/2> doublet excited by E5/2 = 15 ... 25 meV. 2. Single impurity Kondo interaction significantly couples the magnetic moments of the impurity and conduction electrons. A signature thereof is the f0 -> f1 contribution to Ce M4,5 XAS, the strength of which can be tuned by control of the sample thickness. This finding is in line with the observation of reduced effective 4f moments as detected by XMCD. 3. Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction induces ferromagnetic correlations on the impurity lattice, which induces a positive Curie-Weiss temperature in the temperature-dependent inverse susceptibility. 4. Indications for the transition to a coherent heavy fermion state are found in the inverse susceptibility at T ~ 20 K; the ferromagnetic ground state is not observed. The fielddependence of the magnetic moment in the coherent state can be interpreted in terms of a metamagnetic transition. This allows studying basic characteristics of the renormalized band structure of a heavy fermion system by XMCD. The disentanglement of these different contributions to the 4f magnetism not only required extensive Ce M4,5 XAS and XMCD data, but also a thorough structural characterization of the material, a fundamental study of the Ce M4,5 line shape in relation to the degree of 4f hybridization and the development of a model for the paramagnetic susceptibility. The unit cell dimensions and sample morphology of CePt5/Pt(111) intermetallics were studied by low-energy electron diffraction (LEED) and scanning transmission electron microscopy (STEM). These experiments showed that well-defined intermetallic films form on top of the substrate. This lead to introduction of the film thickness t, measured in unit cells (u.c.), as a key feature to characterize the samples. Systematic LEED measurements in the thickness range t ~ 1 ... 15 u.c. allowed identification of six different phases, which could be interpreted as resulting from the same crystal structure with different rotational alignments and lattice constants. An accurate determination of the surface lattice constant at t ~ 3 u.c. could be achieved by interpretation of additional superstructure spots as arising from a well-defined combination of substrate and film lattices. The thicknessdependence of the lateral lattice constant could be explained in terms of lattice relaxation. Confirmation of the CePt5 stoichiometry and structure was performed by use of thicknessdependent XAS and a representative LEED-IV study. The results of this study indicate that the intermetallic films exhibit hexagonal CaCu5 structure over the entire range of thicknesses that were studied. The terminating layer consists purely of Pt with one additional Pt atom per unit cell compared to the bulk structure. The line shape of Ce M4,5 spectra was analyzed with the help of full multiplet calculations. Experimentally, characteristic variations of the line shape were observed with increasing f0 -> f1 contribution. The calculations show that these variations are not due to an admixture of j = 7/2 character to the ground state, as often stated in the literature. As alternatives, this observation can be explained by either considering an additional contribution to the spectrum or by assumption of an asymmetric lifetime profile. The model that was developed for the inverse paramagnetic susceptibility contains the hexagonal crystal field, magnetic coupling of the impurity moments in a mean field scheme and Kondo screening. The latter is included phenomenologically by screening factors for the effective moment. Assumption of doublet-specific screening factors, which means that the degree of Kondo interaction depends on the mj character of the 4f sublevels, allows satisfactory reproduction of the experimental data.},
  subject      = {Magnetischer R{\"o}ntgenzirkulardichroismus},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Blum2009,
  author    = {Blum, Monika},
  title     = {Electronic and Chemical Properties of Liquids and Solutions},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-43732},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Die hier vorgelegte Doktorarbeit wurde der Untersuchung der elektronischen und chemischen Eigenschaften von Fl{\"u}ssigkeiten und L{\"o}sungen mittels weicher R{\"o}ntgenstrahlen gewidmet. Die verwendeten Photonen-rein-Photonen-raus Methoden, namentlich R{\"o}ntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), R{\"o}ntgenemissionsspektroskopie (XES) und resonante inelatische R{\"o}ntgenstreuung (RIXS) stellten sich als exzellente Methoden heraus, diese Systeme zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine experimentelle Anlage gebaut, welche notwendig ist um die genannten Messmethoden zur Untersuchung von Fl{\"u}ssigkeiten zu nutzen. Zentraler Teil dieser Anlage ist eine neuartige Durchflussnasszelle, die die Handhabung der Messungen im Vergleich zu {\"a}lteren Nasszellen vereinfacht. Dabei ist sie variabel genug, um sie zur Messung von Gasen oder Fl{\"u}ssig-Fest-Grenzfl{\"a}chen anzupassen. Mit der Zelle ist es m{\"o}glich, die zu untersuchenden Fl{\"u}ssigkeiten unter gut kontrollierten Bedingungen (Temperatur und Durchfluss) zu untersuchen. Die Durch-flussnasszelle ist Teil einer neuen Synchrotronendstation (SALSA). F{\"u}r die Messungen stehen dabei ein Elektronenanalysator und ein neuartiges hochaufl{\"o}sendes, hocheffizientes Weichr{\"o}ntgenspektrometer zur Verf{\"u}gung. Mit diesem Spektrometer ist es m{\"o}glich, zweidimensionale RIXS Karten in sehr kurzer Zeit (wenige Minuten) aufzunehmen, welche die vollst{\"a}ndige Information von R{\"o}ntgenabsorption und R{\"o}ntgenemission beinhalten. Mit Hilfe der neu entwickelten Instrumentierung war es m{\"o}glich, eine Reihe unterschiedlicher Fl{\"u}ssigkeiten und L{\"o}sungen zu untersuchen. Als erstes System wur-den w{\"a}ssrige NaOH bzw. NaOD L{\"o}sungen erforscht. Die nicht-resonanten Emissionsspektren sind stark von dem genutzten L{\"o}sungsmittel dominiert und haben daher {\"A}hnlichkeit mit den Spektren von Wasser und schwerem Wasser. Es war m{\"o}glich, eine Abh{\"a}ngigkeit der Spektren von der Ionenkonzentration festzustellen. Trotz der {\"A}hnlichkeit der Spektren zu Wasserspektren war es aufgrund eines OH- / OD- spezifischen Charakteristikums an der Absorptionskante m{\"o}glich, resonante Spektren von OH-/OD- ohne Beitrag des Spektrums von Wasser zu erhalten. Diese Spektren zeigten Anzei-chen f{\"u}r Protonendynamik auf der Zeitskala der Rumpflochlebensdauer. F{\"u}r die Emissionsspektren von NaOH im festen Zustand konnten an der hochenergetischen Hauptline eine niederenergetische und hochenergetische Schulter festgestellt werden. Diese Schultern sind das Ergebnis des Eigendissoziationsprozesses von OH- Ionen, bei welchem O2- Ionen und H2O gebildet werden. Weiterhin waren die Untersuchungen an Natronlauge von Interesse f{\"u}r die folgenden Aminos{\"a}urenmessungen, da Natronlauge genutzt wurde, um die gew{\"u}nschten pH-Wert {\"A}nderungen zu erreichen. Die zweite Gruppe von Fl{\"u}ssigkeiten, die in dieser Arbeit untersucht wurde, sind Aminos{\"a}uren. Aminos{\"a}uren sind die Bausteine f{\"u}r Peptide und Proteine und da-mit sehr wichtig f{\"u}r alle Biowissenschaften. Als Vertreter der Aminos{\"a}uren wurden Glycin - die kleinste Aminos{\"a}ure, und Lysin - eine Aminos{\"a}ure mit zwei Amingruppen - untersucht. Beide Aminos{\"a}uren reagieren sensibel auf {\"A}nderungen des pH-Wertes mit einer Deprotonierung/Protonierung der Amingruppe (NH2 \&\#8596; NH3+). In den experimentellen Spektren konnte ein deutlicher Einfluss dieser Prozesse gefunden werden. Die gemessenen Spektren der protonierten Aminos{\"a}uren zeigen deutliche An-zeichen f{\"u}r Dissoziationsprozesse. Erste DFT Rechnungen best{\"a}tigten diese Anzeichen und unterst{\"u}tzen das Dissoziationsmodell der Aminos{\"a}uren. Qualitativ l{\"a}sst sich sagen, dass sich die hochenergetische Linie in den N K XES Spektren auf die unprotonierten Amingruppen bezieht und der niederenergetische Bereich im Spektrum den protonierten Gruppen zugeordnet werden kann. Neben Aminos{\"a}uren sind auch Alkohole und organische S{\"a}uren von Bedeutung f{\"u}r biologische Prozesse. Daher wurden als Vertreter aus diesen Gruppen der einfachste Alkohol (Methanol) und die einfachste S{\"a}ure (Essigs{\"a}ure) untersucht. Die O K und C K XES Spektren von fl{\"u}ssigem Methanol stimmen hervorragend mit Gasphasen DFT Rechnungen {\"u}berein. Dies l{\"a}sst den Schluss zu, dass der Einfluss der Umgebung (Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen) auf die Spektren gering ist. Durch resonante Anregung in geeignete unbesetzte Orbitale war es m{\"o}glich, die zwei unterschiedlichen Sauerstoffatome der Essigs{\"a}ure zu unterscheiden und auch einen Anhaltspunkt f{\"u}r die Carboxylgruppen-spezifischen C K XES Spektren zu bekommen. An der Kohlenstoffkante zeigten die XAS Spektren große Unterschiede zu Gasphasenmessungen, was ein Hinweis auf den Einfluss der Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen ist. Die Untersuchung der elektronischen und chemischen Eigenschaften von Fl{\"u}ssigkeiten und L{\"o}sungen ist immer noch ein sehr junges Forschungsgebiet. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen, welch interessantes Forschungsgebiet dies ist. Die vorgestellten Ergebnisse k{\"o}nnen als die grundlegende Basis f{\"u}r alle weiteren Untersuchungen in diesem Forschungsfeld angesehen werden.},
  subject      = {R{\"o}ntgenspektroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Seres2005,
  author    = {Seres, Enik{\~o}},
  title     = {Ultraschnelle zeitaufgel{\"o}ste Absorptionsspektroskopie im weichen R{\"o}ntgenbereich},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-16417},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Bis in die 50er Jahren wurden ausschließliche R{\"o}ntgenr{\"o}hren in der R{\"o}ntgenspektroskopie benutzt. (Parratt, 1938). In den 50er Jahren wurden die ersten Synchrotrons gebaut und f{\"u}r die Spektroskopie im R{\"o}ntgenbereich angewendet. (Blocker et al., 1950). Die auch noch heute verwendeten Techniken wurden zum ersten Mal 1948 (Elder et al. 1948) in der Literatur beschrieben. Doch es dauerte Jahrzehnte, bis mit den neu zur Verf{\"u}gung stehenden Synchrotrons die statische R{\"o}ngendiffraktometrie zur r{\"o}ntgenspektroskopischen Strukturaufkl{\"a}rung routinem{\"a}ßig benutzt werden konnte. Diese Entwicklungen werden bis heute fortgef{\"u}hrt und ebneten den Weg f{\"u}r viele Anwendungen. W{\"a}hrend dieser Zeit ist auch ein anderer Wissenschaftszweig entstanden, die Lasertechnik. Diese ist seit dieser Zeit auch enorm gewachsen, und jetzt fordert sie auch die Synchrotrons bei der zeitaufgel{\"o}sten R{\"o}ntgenspektroskopie heraus. Die Laserstrahlung war am Anfang kontinuierlich. Erst durch die sp{\"a}teren Entwicklungen konnte ein gepulster Betrieb realisiert werden. Mit der Zeit wurden die Laserpulse immer k{\"u}rzer und die Pulsenergie ist immer mehr gewachsen. Die kurze Pulsdauer der Laser wird in so genannten Pump-Probe Messungen verwendet: damit k{\"o}nnen schnelle {\"A}nderungen, die von einem Pumppuls ausgel{\"o}st werden mit einem Probepuls verfolgt werden. Die Aufl{\"o}sung der Messung ist durch die Pulsdauer gegeben. Die Pulsdauer wurde in den letzten Jahrzehnten vom Nanosekunden- bis in den Femtosekundenbereich reduziert. Hier ergibt sich aber nicht etwa eine technologische Grenze sondern eine fundamentale. Die zurzeit k{\"u}rzesten Laserpulse haben eine Dauer von einigen wenigen Femtosekunden und sind damit schon sehr nahe der Periodendauer einer optischen Schwingung, die ebenfalls 1 bis 2fs betr{\"a}gt. Allerdings zeigt sich auch, dass mit den zur Verf{\"u}gung stehenden Laserpulsen die Zeitaufl{\"o}sung ausreicht um fast alle Vorg{\"a}ngen zu beobachten. Nur ist die Interpretation manchmal sehr schwierig, wenn es gilt das gemessene Signal einer atomaren Bewegung zuzuordnen. Abhilfe schafft hier die Verwendung von R{\"o}ntgenstrahlung, die hervorragend geeignet ist Strukturinformation direkt zu erhalten. Wenn die Strahlung gepulst ist kann damit auch die Dynamik der Struktur erfasst werden. Ein Erfolg versprechender Ansatz zur Erzeugung von R{\"o}ntgenpulsen mit einer Dauer von einigen Femtosekunden ist die Konversion von ultrakurzen Laserpulsen in den R{\"o}ntgenbereich. Heute dazu erfolgreich demonstrierte Techniken sind die Laser-Plasmaquellen oder die hoher Harmonische Erzeugung (HHG). Die Plasmaquellen erzeugen im keV Energiebereich R{\"o}ntgenphotonen - aber nur mit einer Pulsdauer von einigen 100fs. HHG ist hingegen eine interessante Alternative, die Pulse mit einer Dauer im Attosekundenbereich erzeugen kann. Allerdings war der Spektralbereich bis vor kurzem auf einige 100eV beschr{\"a}nkt. Eine Ausweitung des Spektrums von HHG Strahlung in den keV Bereich macht die Quelle aber erst wirklich einsetzbar f{\"u}r Messungen an technisch und wissenschaftlich interessanten Systemen. Im Energiebereich des Wasserfensters (ca 300 bis 600eV) k{\"o}nnen biologische Prozesse mit einer Zeitaufl{\"o}sung im ps-fs Bereich verfolgt werden. Im h{\"o}heren Energiebereich von ca. 700eV kann man die magnetischen Eigenschaften von Selten-Erdmetallen beobachten. Diese Arbeit ist der Entwicklung einer laserbasierten HH-Quelle und deren Anwendung in der zeitaufgel{\"o}sten Spektroskopie gewidmet. Es sollte herausgefunden werden, welche Anforderungen werden an das Lasersystem in Bezug auf Pulsparameter gestellt, um damit Spektroskopie in einem Bereich bis zu 1keV zu machen. Auch sollte gekl{\"a}rt werden, welche spektroskopischen Methoden sind m{\"o}glich und wo liegen ihre Grenzen. In dieser Arbeit wurde sehr viel Neuland betreten, sowohl auf dem Gebiet der Lasertechnik als auch auf der Entwicklung der HH Quelle. Dar{\"u}ber hinaus ist diese Arbeit die erste Arbeit die sich mit Anwendung von HH-Strahlung f{\"u}r zeitaufgel{\"o}ste R{\"o}ntgenabsorptionsspektroskopie befasst. Das zweite Kapitel befasst sich mit den Grundlagen der R{\"o}ntgenspektroskopie. Bei der Wechselwirkung von R{\"o}ntgenstrahlung mit Materie wird die elektronische Struktur, die Elektronenverteilungen der Atome oder Molek{\"u}le ver{\"a}ndert: Man kann die Elektronen in das Valenzband oder in das Kontinuum anregen. Die in das Kontinuum anregten Elektronen k{\"o}nnen gleichzeitig mit den Nachbaratomen wechselwirken, und von diesen r{\"u}ckstreuen. Diese Wechselwirkung wird durch elektronische Struktur, die elektronische Verteilung der Atome und Molek{\"u}le beeinflusst. Diese Vorg{\"a}nge ver{\"a}ndern die R{\"o}ntgenabsorption des Materials. Durch die Messung der Ver{\"a}nderung der R{\"o}ntgenabsorption kann man auf die atomare Struktur, die atomare Abst{\"a}nde folgern. Diese Messungen wurden bisher mit Synchrotronstrahlung durchgef{\"u}hrt, deren Pulsdauer bisher nicht k{\"u}rzer als einige ps war, und damit nicht den schnellsten {\"A}nderungen folgen konnte. Ein Lasersystem mit h{\"o}herer Energie und k{\"u}rzerer Pulsdauern ist der Schl{\"u}ssel zu hochzeitaufgel{\"o}sten Experimenten. Die Entwicklung eines solchen Lasersystems ist im dritten Kapitel beschrieben. Erster Teil des Kapitels erkl{\"a}rt die Probleme, die durch den Verst{\"a}rkungsprozess auftreten. Die spektrale Einengung und der Energieverlust sind immer die am schwierigsten zu l{\"o}senden Probleme in einem Verst{\"a}rkersystem. Wegen der n{\"o}tigen zeitliche Pulsdehnung und der folgenden Pulskompression erleidet der Puls einen Energieverlust. Die nichtlinearen Effekte verursachen spektrale Einengung im Verst{\"a}rkerkristall. Um diese Nachteile zu vermeiden dienen die unterschiedlichen Techniken, wie die Verwendung einer gasgef{\"u}llten Hohlfaser zur nichtlinearen spektralen Verbreiterung und unterschiedlicher Pulsformungstechniken (akustooptische Modulator, LCD,…). Der verbleibende Teil des Kapitels stellt diese Methoden, ihre Vorteilen und Nachteile dar. Abschließend sind die Erfolge bei der Entwicklung des Lasersystems vorgestellt: Nach allen Optimierungen wurden Pulse mit einer Energie von 3mJ und einer Dauer von 12fs realisiert. Die erste Verwendung des neuen Systems war die Erzeugung hoher Harmonischer mit konventioneller Technik. Diese Technik basiert auf einem Aufbau mit einem Gastarget in das die Laserpulse fokussiert werden. Das vierte Kapitel beschreibt die Theorie und Schwierigkeiten des Erzeugungsprozesses durch die Erkl{\"a}rung der grundlegenden mikroskopischen (Erzeugung) und die makroskopischen Effekte (Ausbreitungseffekte) im Gastarget. Das Problem der niederen Konversionseffizienz im hochenergetischen Bereich kann gel{\"o}st werden, wenn die neu entwickelte Technik, die als nichtadiabatische Phasenanpassung schon in der Literatur existiert hat, angewendet wird. Sie beruht auf einer starken Fokussierung von extrem kurzen Pulsen und erm{\"o}glicht Erzeugung von R{\"o}ntgenphotonen mit Energien bis zu 3,5keV. Mit diesen sch{\"o}nen Erfolgen wurden die ersten statischen spektroskopischen Experimente durchgef{\"u}hrt. Die aufgenommenen Spektren zeigen sch{\"o}ne Absorptionskanten bei Titan, Kupfer, und Neon, Platin. Die Auswertungen dieser Spektren zeigen, dass es gen{\"u}gend Photonen bis 1keV gibt und erm{\"o}glichen so die Anwendung der so genannten EXAFS Technik. Im f{\"u}nften Kapitel werden die gemessene R{\"o}ntgenspektren und die mit der EXAFS Methode ermittelten atomaren Abst{\"a}nden von Silizium, Titan und Kupfer, dargestellt. Dieses Kapitel beschreibt ferner unsere ersten erfolgreichen Experimenten zur zeitaufgel{\"o}ste R{\"o}ntgenabsorptionsspektroskopie in der N{\"a}he der Silizium L-Kante bei 100eV. Die Zeitaufl{\"o}sung, die mit Hilfe der Pump-Probe Technik erzielt werden konnte war besser als 20fs. Die Messungen wurden in einem weiten Energie - und Zeitbereichen durchgef{\"u}hrt: im Bereich von 0-100ps und 0-1ps, sowie von ca. 70eV bis 500eV. Die bestimmten Zeitkonstanten, stimmen mit in der Literatur angegebenen Werten f{\"u}r die unterschiedlichen Relaxationsprozessen sehr gut {\"u}berein.},
  subject      = {R{\"o}ntgenabsorptionsspektroskopie},
  language  = {de}
}