Forschungsthemen

 

Die Mitarbeiter des Instituts für Kristallographie forschen unter der Leitung von Professor Georg Roth auf dem Gebiet der Strukturforschung mit Neutronen- und Röntgenstrahlen. Die Forschungsziele umfassen sowohl die methodische Weiterentwicklung von Beugungs- und Streumethoden als auch die Anwendung dieser Methoden zur Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in modernen Materialien.

Übersicht:

Forschungsschwerpunkte

Neutronen-Diffrakto­metrie

Das Institut betreibt, in enger Kooperation mit dem FZ Jülich und der TU München, eine Außenstelle am Heinz Maier-Leibnitz-Zentrum MLZ (FRM II) in Garching und ist für den wissen­schaftlichen Betrieb der Neutronen-Einkristalldiffraktome­ter HEiDi und POLI verantwort­lich. HEiDi eignet sich besonders für die hochauf­gelöste Analyse von Kristallstrukturen, struk­turellen Phasen­übergängen, Ord­nungs-Unordnungs-Phänomenen, die genaue Analyse von Wasserstoff-Brückenbindungen in Kristallen, Defektstruktu­ren und Fehl­ordnungen sowie die Bestimmung von magne­ti­schen Ordnungszu­ständen. Die Stärke von POLI liegt in der Möglichkeit, auch sehr schwache magnetische Beugungsintensi­täten zu­verläs­sig messen zu können. Damit lassen sich auch sehr komplexe mag­netische Strukturen von Kris­tallen, Domä­nenstrukturen von Magnetwerkstoffen und ortsaufge­löste Magnetisierungsdichten bestimmen.

Grundlagenforschung an funktionellen Materialien

Gegenstand dieser Untersuchungen ist die Wechselbeziehung zwischen Kristallstruktur und physikalischen Eigenschaften von Funktionswerkstoffen. Zu den untersuchten Verbindungsklassen gehören u.a. magnetisch niedrigdimensionale Kristalle, Multiferroika, Pniktid-Supraleiter, magnetisch frustrierte Systeme sowie Polymerfaser-Werkstoffe.

Materialsynthese und Einkristallzüchtung

Das Institut betreibt Hochtemperatur- und Hochdruck-Syntheseeinrichtungen zur Materialherstellung und zur Einkristallzüchtung aus der Schmelze (tiegelfreies, optisches Zonenschmelzen bis 1800°C, Flux-Züchtung). Angewandt werden diese Methoden überwiegend zur Züchtung von Übergangsmetall-Oxid-Kristallen in den o.g. Anwendungsfeldern.

 

Ausgewählte Forschungsvorhaben

  Einkristall-Neutronen-Diffraktometer HEiDi Urheberrecht: A. Steffen

Einkristall-Neutronen-Diffrakto­meter HEiDi am FRM II in Garching

Das Einkristall-Neutronen-Diffraktometer HEiDi am FRM II ist Dank der Verfügbarkeit von kurz­welligen („heißen“) Neutronen besonders für hochauf­lösende Kristallstrukturanalysen geeignet. Typi­sche Fragestellungen betreffen die genaue Analyse von Was­serstoff­positionen, die Untersuchung von anharmoni­schen thermischen Schwingungen, Defektstruk­tu­ren und Fehl­ordnung sowie die Bestimmung von magne­ti­schen Ordnungszu­ständen. In Kombination mit Röntgenbeugungsdaten werden detaillierte Untersuchungen von Gesamtelektronendichteverteilungen sowie von Dichteverteilungen der ungepaarten Elektronen (Spindichteverteilungen), die das magnetische Verhalten bestimmen, durchgeführt. HEiDi wird gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich (JCNS) betrieben.

  Einkristall-Neutronen-Diffrakto­meter Urheberrecht: IfK

Einkristall-Neutronen-Diffrakto­meter POLI am FRM II in Garching

Die Stärke des in den vergangenen Jahren mit BMBF-Mitteln aufgebauten Diffraktometers POLI liegt in der Möglichkeit, unter Verwendung von polarisierten Neutronen und dreidimensio­naler Polarisationsanalyse auch sehr schwache magnetische Beugungsintensi­täten zu­verläs­sig messen zu können. Damit lassen sich komplexe mag­netische Strukturen von Kris­tallen, magne­tische Domä­nen und ortsaufge­löste Magnetisie­rungsdichten in Magnetwerkstoffen mit hoher Ge­nau­igkeit bestimmen.

Das Einkristalldiffraktometer POLI konnte nach drei­jähriger Förderung durch das BMBF im Feb­ruar 2014 zum ersten Mal an seinem neuen Messplatz SR-9a mit Neutronen messen und ist im Herbst 2014 in den Userbetrieb übergegangen. Entwicklung und Bau von POLI werden im Rahmen des BMBF-Verbundprogramms „Erforschung kondensierter Materie an Großgeräten" finanziell gefördert.

  Hochdruckkristallographie Urheberrecht: IfK

Hochdruckkristallographie

Während die Untersuchung der Temperaturab­hängigkeit von Kristallstrukturen, deren Eigen­schaften und ihrer Stabilität gut etabliert ist, sind Untersuchungen an Einkristallen unter Hochdruck aufgrund der experimentellen Schwierigkeiten weit weniger verbreitet. Bei diesen Untersuchungen wird die Probe in einer Stempelzelle zwischen zwei Diamantkristallen eingeschlossen (s. Abb.) und hohen hydrostati­schen Drücken ausgesetzt. Die Volumenände­rungen, die das Material dabei erfährt, betragen im allgemeinen ein Vielfaches der temperatur­induzierten Volumenänderungen und liefern so wichtige komplementäre Informationen zu temperaturabhängigen Messungen.

Die Forschungen auf diesem Gebiet konzentrie­ren sich auf die Untersuchung von ausgewähl­ten Verbindungen mit interessanten optischen Eigenschaften (z. B. ternäre Fluoride) und auf multiferroische Materialien (z. B. gemischtva­lente Vanadate). Zusätzlich steht die Entwick­lung von methodischen Algorithmen zur Aus­wertung der unter Hochdruck gewonnenen Daten im Vordergrund.

 

Multiferroische Melilithe

Die Kombination von zwei verschiedenen „fer­roischen“ Ordnungszuständen, z. B. von ferro­elektrischer und mag­netischer Ordnung, in den sogenannten Multi­ferroika ver­spricht zahlreiche zukünftige Anwendungen u. a. in der Informati­onstechnik. Durch die sehr ungewöhn­liche Kopplung von Eigenschaften ist es möglich, die Magneti­sierung durch ein elektrisches Feld zu beeinflussen (zu schalten) – und umgekehrt. Die Wechselwir­kungen zwischen Kristallstruk­tur, elektro­nischer Struktur und mag­netischer Struk­tur in solchen Verbindungen sind derzeit nur unzureichend verstan­den. Die Mitarbeiter an unserer Außenstelle im MLZ Garching (FRM II) untersuchen zurzeit federführend das Mo­dell­sys­tem der multiferroischen Melilithe, z. B. Ba2CoGe2O7 und Ba2CuGe2O7.

  Kristallstrukturen von Polymeren Urheberrecht: IfK

Magnetokalorika

Magnetokalorische Materialien weisen eine Temperaturänderung auf, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden. Der magnetokalorische Kühlkreislauf kann zur Kühlung in Haushaltsgeräten ausgenutzt werden und stellt eine energieeffiziente und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Kompressionstechnologien dar. Unsere Forschung konzentriert sich zum einen auf die Entwicklung neuer magnetokalorischer Materialien basierend auf umweltfreundlichen und leicht verfügbaren Elementen wie Mn oder Fe (z. B. im System Mn5-xFexSi3) und zielt zum anderen auf ein grundlegendes Verständnis der Spin-Gitter-Kopplung in diesen Materialien. Hierfür führen wir sowohl makroskopische magnetische Untersuchungen zur Charakterisierung des magnetokalorischen Effekts durch, aber auch elastische und inelastische Neutronenstreuexperimente zur Charakterisierung der Kristallstruktur, der magnetischen Ordnung sowie der Dynamik in diesen Materialien. Ergänzt werden die Untersuchungen durch in-situ-Beugungsexperimente unter hohem Druck, um über die Analogie von hydrostatischem und „chemischem“ Druck (durch Variation der chemischen Zusammensetzung) gezielt Auskünfte für die Optimierung der Materialien zu erhalten.

  Kristallstrukturen von Polymeren Urheberrecht: IfK

Kristallstrukturen von Poly­meren

Im Bereich der Polymerforschung arbeitet das Institut für Kristallographie mit dem Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH (Prof. Gries) zusammen.

Untersuchungsgegenstand ist z. B. der Einfluss von Schichtsilikaten auf Struktur und Festig­keitseigenschaften von Polyamid 6 Multifila­menten.

 

„Conditioning“

Im Rahmen des vom BMBF geförderten Ver­bundprojekts „Conditioning“ engagiert sich das Institut für Kristallographie (in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich, dem Karls­ruhe Institute of Technology, dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, den Hochschulen Frankfurt und Hannover sowie den Aachener Kollegen aus der Gesteinshüttenkunde) im Be­reich der Komplexierung von f-Orbital-Kationen in endlagerrelevanten Keramiken.

  Einkristallzüchtung Urheberrecht: IfK

Einkristallzüchtung

Das Institut betreibt einen Spiegelofen mit 4-fach-Parabolreflektor, mit dessen Hilfe man durch tiegelfreies Zonenschmelzen Einkris­talle bis zu 1800°C züchten kann. Beispiele sind u.a. Multiferroizität, niedrigdimen­sionaler Magne­tismus und resistives Schalten.

 

Multiferroische Pyroxene

Die Kombination von zwei verschiedenen „fer­roischen“ Ordnungszuständen, z. B. von ferro­elektrischer und mag­netischer Ordnung, in den sogenannten Multi­ferroika ver­spricht zahlreiche zukünftige Anwendungen u. a. in der Informati­onstechnik. Durch die sehr ungewöhn­liche Kopplung von Eigenschaften ist es möglich, die Magneti­sierung durch ein elektrisches Feld zu beeinflussen (zu schalten) – und umgekehrt. Die Wechselwir­kungen zwischen Kristallstruk­tur, elektro­nischer Struktur und mag­netischer Struk­tur in solchen Verbindungen sind derzeit nur unzureichend verstan­den. In Kooperation mit der Universität Salzburg wird zurzeit das Mo­dellsys­tem der multiferroischen Pyroxene, z. B. Na­FeSi2O6, LiFeGe2O6 untersucht.

  Kationen-Substitution in Aluminat-Sodalithen Urheberrecht: IfK

Kationen-Substitution in Alumi­nat-Sodalithen

In diesem Forschungsschwerpunkt wird, ausgehend vom Aluminatsodalith |Ca8(MoO4)2|[Al12O24]-SOD, untersucht, wie sich eine Kationensubsti­tution auf der Ca-Position auf Symmetrien, Phasenumwandlungen, T-x-Phasen­diagramme und ausgewählte Eigenschaften dieser Vertreter mikroporöser Gerüststrukturen auswirkt. Hier­bei ist ein Ersatz des Ca2+ sowohl durch kleinere Kationen wie Mg2+, als auch durch grö­ßere Io­nen wie Sr2+ und Ba2+ vorgesehen. Dar­über hinaus sollen auch Elemente mit d- Elekt­ronen (z.B. Co2+, Zn2+, Cd2+) und „lone-pair“ Ionen (Pb2+) für Ca2+ substituiert werden.

Ziel ist ein substanzielleres Ver­ständnis des Einflusses der Gastkationen auf die kompetitiven Wechselwirkungen zwischen den drei Teilstrukturen der Aluminatsodalithe (Ge­rüst-Käfiganionen-Käfigkationen) und die dar­aus resultierenden strukturellen Frustrationen. Diese führen in Aluminatsodalithen oft zu kommensurabel und inkommensurabel modu­lierten Strukturen.

  Scheme plastic/elastic bending Urheberrecht: IFK

Structure-mechanical response correlations of elastic molecular crystals as function of temperature, pressure and uniaxial strain

Discovery of bending, twisting and shape recovery in molecular crystals in the last 15 years has not only raised eyebrows but generated tremendous interest amongst scientists. The different kinds of macroscopic flexibilities have been successfully obtained in materials where weak intermolecular interactions dominate the crystal packing. Recent discoveries of wave-guide, piezoelectricity, ferroelectricity and magnetic properties in crystals coupled with macroscopic flexibility showcases the immense potential of such crystals for optoelectronic, stress-dissipative and flexible memory applications. However, the limits of mechanical adaptability and their relation to the underlying geometry and energy of the intermolecular interactions remains elusive. The aim of this proposal is to investigate the dependence of intra- and intermolecular interactions within crystals as function of temperature, pressure and uniaxial stress. Within the framework of the project, three model systems viz. a brittle crystal, an elastically and an elasto-plastic crystal shall be studied. At non-ambient temperature, elevated pressure using diamond anvil cells and uniaxial strain, powder and single crystal X-ray and neutron diffraction experiments will be performed to obtain accurate information about positions and displacement parameters of atoms including hydrogens. Systemic analysis of variation of arrangement and energy of intermolecular interactions will be performed as a function of non-ambient temperature and pressure. Successful conclusion of the project will decipher the structure-mechanical response correlations of molecular crystals in general which will be seed to further design of flexible crystals.