Untersuchung der elektronischen Struktur von CuO mit resonanter Röntgen-Raman-Streuung

Abstract

In dieser Arbeit wird die elektronische Struktur von CuO mit der Methode der resonanten Röntgen-Raman-Streuung untersucht. Dabei werden sowohl die Besonderheiten dieses Übergangsmetalloxids herausgestellt, als auch das Potenzial der Methode aufgezeigt.

Zunächst wird erläutert, wie sich durch die Messung von Kupfer-K-alpha Fluoreszenzspektren bei einer Anregungsenergie wenige eV unterhalb der Kupfer K-Kante Rückschlüsse über die unbesetzte Zustandsdichte von CuO und deren Symmetrie ziehen lassen. Dabei wird ausgenutzt, dass verschiedene Zwischenzustände des resonant unelastischen Streuprozesses durch die sogenannte Raman-Verschiebung voneinander getrennt werden können. Weiterhin sind die Beiträge von Zwischenzuständen verschiedener Symmetrie zum Fluoreszenzspektrum stark von der Polarisation des einfallenden Röntgenstrahls abhängig. Auf diese Weise lassen sich drei Strukturen in den gemessenen Spektren identifizieren und eindeutig unterschiedlichen Zwischenzuständen zuordnen.

Ein weiterer Aspekt der Arbeit ist die Untersuchung der Wechselwirkung des 1s-Rumpflochs im Zwischenzustand mit den stark lokalisierten Kupfer 3d-Elektronen im CuO. Bei Anregungsenergien wenige eV oberhalb der Kupfer K-Kante führt diese Wechselwirkung zu sogenannten Shakeup-Satelliten in den Energieverlustspektren. Im speziellen Fall des CuO tritt ein solcher Satellit bei einem Energieverlust von etwa 5 eV auf und lässt sich einer Anregung aus dem bindenden Grundzustand des 3d-Elektronensystems in einen antibindenden angeregten Zustand zuordnen. Durch eine störungstheoretische Behandlung der Coulomb-Wechselwirkung zwischen dem Rumpfloch und den 3d-Elektronen wird ein Ausdruck für den Streuquerschnitt des Shakeup-Prozesses hergeleitet. Mit dessen Hilfe lässt sich die beobachtete Abhängigkeit der Intensität des Shakeup-Satelliten und seiner Position im Energieverlustspektrum von der Anregungsenergie erklären. In bestimmten Streugeometrien ist zudem eine starke Streuwinkelabhängigkeit der Intensität des Satelliten zu beobachten. Im Rahmen einer Modellrechnung wird diese Abhängigkeit auf einen Polarisationseffekt zurückgeführt.

In this thesis the electronic structure of CuO is investigated utilizing resonant X-ray Raman Scattering. The special properties of this transition metal oxide are emphasized and the potential of the method is shown.

First it is explained how one can draw conclusions about the unoccupied density of states of CuO and its symmetry from measurements of the copper K-alpha fluorescence by using an excitation energy of a few eV below the absorption threshold. By this means one can make use of the fact that different intermediate states of the resonant scattering process can be separated by the so-called Raman-shift. Moreover, the magnitude of the contributions of intermediate states of different symmetry to the fluorescence spectrum strongly depend on the polarisation of the incident x-ray beam. Thereby, three features in the measured spectra can be identified and can be attributed to different intermediate states.

Another aspect of this thesis is the study of the interaction between the 1s core-hole in the intermediate state of the scattering process and the localized 3d-electrons of copper in CuO. At excitation energies of a few eV above the absorption threshold of the copper K-edge this interaction leads to the so-called shakeup-satellites in the energy loss spectra. In the special case of CuO such a satellite shows up at an energy loss of about 5 eV. This satellite is attributed to an excitation from the binding ground state of the 3d-electron system to an antibinding excited state. By means of a perturbation theoretical treatment of the Coulomb interaction between the core-hole and the 3d-electrons an expression for the cross-section of the shakeup-process is derived. Thereby the observed excitation energy dependence of the shakeup-satellite's intensity and its position in the energy loss spectrum can be explained. Furthermore, its intensity shows a strong dependence on the scattering angle in certain scattering geometries. By means of a model calculation this dependence is attributed to a polarisation-effect.