AG Experimentelle Nanophysik und Photonik

Fortgeschrittenen Praktikum

P60: Gitterschwingungen in Festkörpern

Die Ramanspektroskopie ist eine der wichtigsten zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden in der Physik und der Materialwissenschaft. 

Ramanstreuung ist inelastische Streuung von Licht an elementaren Anregungen, meist Gitterschwingungen im Kristall. Hieraus gewonnene Spektren enthalten u.a. Informationen über Materialzusammensetzung, Qualität und Temperatur des Kristalls.

In den Kristall einfallendes Licht der Frequenz ωi wird hauptsächlich elastisch gestreut. Durch angeregte Quasiteilchen, z.B. optische Phononen erfahren die Kristallatome eine Änderung ihrer Polarisierbarkeit mit ωR  Im Spektrum existieren nun schwache Seitenbänder aus unelastischen Streuprozessen mit den Frequenzen ωAS = ωi + ωR und ωS = ωi − ωR. Der Raman Effekt beruht auf einer Änderung der Polarisierbarkeit des Kristalls mit der Phononenfrequenz. Die Phononmoden selbst sind durch die atomare Geometrie der Probe vorgegeben. Dabei spielen vor allem die Massen der Atome, deren Bindungen sowie die Periodizität des Gitters eine entscheidende Rolle. 

Mit Ramanspektroskopie lassen sich die Phononen eines Materials messen und damit indirekt auch die kristalline Qualität (Linienbreite der Moden), Komposition (Energie der Moden) aber auch unter Umständen Verunreinigungen (neue Moden die für neuauftauchende Bindungen) oder Dotierungen (Kopplung der Phononen mit freien Ladungsträgern).

Vorbereitung:

Klären Sie Grundbegriffe der Festkörperphysik, wie Einheitszelle, reziproker Raum, Phonon, Phononendispersion. Was unterscheidet akustische von optischen Phononen, wie liest man die Schallgeschwindigkeit aus der Dispersionsrelation ab etc. Wie sieht die Dispersionsrelation für Licht aus und warum kann man mit Raman in erster Ordnung nur Phononen am Gamma-Punkt beobachten. Was ist in zweiter Ordnung anders? Was ist eine Phononenzustandsdichte?

In diesem Versuch werden Raman-Spektren von drei Materialien aufgenommen, ausgewertet und mit DFT-basierten Rechnungen verglichen, die ebenfalls im Rahmen dieses Versuchs durchgeführt werden.

Lernziele bzw. Methoden:

  • optische Spektroskopie
  • Monochromatoren
  • Phononen, Kristallstruktur
  • inelastische Streuprozesse

Literatur:

  • H. Ibach and H. Lüth; Festkörperphysik - Eine Einführung in die Grundlagen, Springer Verlag (1981)

Kontakt

Gebäude EW
Raum EW 557