Mössbauerspektroskopie

Bei der Mössbauerspektroskopie macht man sich die von R.L. Mößbauer 1958 entdeckte Methode zur Beobachtung der resonanten Absorption von Gammaquanten bei Kernübergängen zunutze, um kleinste Verschiebungen und Aufspaltungen von Kernniveaus aufgrund der Hyperfeinwechselwirkung mit der elektronischen Umgebung der Kerne in Festkörpern zu vermessen. Auf diese Weise können wertevolle Informationen über die elektronische und kristallographische Struktur der Festkörper gewonnen werden, sowie über deren magnetische Eigenschaften und über den chemischen (Valenz-) Zustand der Mössbaueratome.

Mössbauerspektroskopie ist nur an bestimmten, dafür geeigneten Isotopen möglich. In unserer Arbeitsgruppe führen wir vorwiegend Messungen mit ⁵⁷Fe, ¹¹⁹Sn und ¹⁹⁷Au durch. In geringerem Maße kommen die Isotope ¹⁹¹Ir, ¹²¹Sb, ⁹⁹Ru und ¹⁵¹Eu zum Einsatz. Um resonante Kernübergänge in diesen Nukliden anzuregen, benötigt man radioaktive Quellen, die zu den genannten Isotopen zerfallen. Diese Quellen sind teilweise kommerziell erhältlich (⁵⁷Fe, ¹¹⁹Sn, ¹²¹Sb, ¹⁵¹Eu) und teilweise müssen sie durch Neutronenbestrahlung im Reaktor immer wieder erzeugt werden (¹⁹⁷Au, ¹⁹¹Ir). Der in nächster Nähe zum Institut gelegene Forschungsreaktor FRM-I (bzw. in einigen Jahren der neue Reaktor FRM-II) bietet hierfür ausgezeichnete Bedingungen.

Das Bild zeigt einen Blick in eines unserer Labors für Mössbauerexperimente. Routinemäßig führen wir in unserer Arbeitsgruppe Mössbauermessungen in Transmissionsgeometrie bei Raumtemperatur und 4.2 K (fl. Helium) durch sowie bei variablen Temperaturen im Bereich von 10 bis 330 K. Daneben messen wir für spezielle Anwendungen aber auch in Streugeometrie sowie mit Konversionselektronen. Für die Konversionselektronen-Mössbauerspektroskopie (CEMS) am ¹⁹⁷Au , die aufgrund des kleinen Lamb-Mössbauer-Faktors nur bei tiefen Temperaturen möglich ist, kommt eine spezielle, in unserer Arbeitsgruppe in Zusammenarbeit mit einer japanischen Gruppe entwicklte Detektortechnik zum Einsatz.

Anwendungsgebiete

Hier ist eine Auswahl von Forschungsgebieten, in denen die Mössbauerspektroskopie in unserer Arbeitsgruppe zum Einsatz kommt:

• Metall-Wasserstoff-Systeme
  In Zusammenarbeit mit einer russischen Gruppe werden Hydride von Übergangsmetallen und Legierungen bei Drücken bis zu 9 GPa (90000 bar) synthetisiert und mit der Mössbauerspektroskopie untersucht. In Kooperation werden die Hydride außerdem mit Röntgen- und Neutronenbeugung untersucht. Geplant ist auch die Anwendung der µSR-Spektroskopie auf diesem Gebiet. Die in unserer Arbeitsgruppe vorhandene experimentelle Ausrüstung umfaßt Wasserstoffbeladungsapparaturen für Drücke bis 2 bar (bei bis zu 600°C) und Drücke bis 10 bar (bei Raumtemperatur), sowie eine Heißextraktionsapparatur, die eine sehr genaue Bestimmung der Wasserstoffgehalte der Hydride erlaubt. Ziel der Untersuchungen ist die Aufstellung von Phasendiagrammen, die Bestimmung von Kristallstrukturen und die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Hydriden sowie des Diffusionsverhaltens des Wasserstoffs.
• Katalysatoren
  In Zusammenarbeit mit Chemikern und Physikern aus England und Italien untersuchen wir metallische Katalysatoren zur Oxidation von CO bei niedrigen Temperature, zur Methanolsynthese aus Synthesegas und zur selektiven Reduktion von verschiedenkernigen Doppelbindungen. Diese Katalysatoren bestehen meist aus Übergangsmetallen wie Pt, Ir, Au, Ru und Legierungen, die auf verschiedene Substrate wie Aktivkohle oder Metalloxiden aufgebracht sind. Ziel der Untersuchungen ist Korrelationen zwischen der katalytischen Aktivität der Metalle und deren chemischem und physikalischem Zustand zu finden, um so mit einem besseren Verständnis der Katalysemechanismen gezielt nach effektiveren Katalysatoren suchen zu können.
• Gold-Nanoteilchen
  Die Untersuchung von kleinen und kleinsten Metallatom-Clustern bietet interessante Einsichten in den Übergangsbereich zwischen Atom-, Molekül und Festkörperphysik. In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir Gold-Nanoteilchen eingebettet oder adsorbiert in unterschiedlichen Trägersubstanzen wie Mylar, Aktivkohle und Gläsern. Ziel ist mit Hilfe der Mössbauerspektroskopie am ¹⁹⁷Au die Unterschiede in der elektronischen Konfiguration von Oberflächenatomen und Atomen im Inneren der Cluster zu vermessen sowie Einflüsse der Teilchengröße auf die Leitungselektronendichte zu bestimmen.
• Prähistorische Keramik
  Bei der Untersuchung archäologischer Keramik spielen physikalische Methoden eine wichtige Rolle. Neben Neutronenaktivierungsanalyse, Röntgendiffraktometrie und Dünnschliffmikroskopie wenden wir insbesondere die Mössbauerspektroskopie an, um das Material zu charakterisieren. Die so erhaltene Klassifikation basiert auf Materialeigenschaften, auf statistischen Argumenten und auf der archäologischen Typologie. Sie erlaubt eine Diskussion von Handelsverbindungen und Herstellungsmethoden in prähistorischer Zeit. Neben einer Bestimmung der in der Keramik vorliegenden Eisenminerale ermöglicht die Mössbauerspektroskopie in Verbindung mit Labor-Brennversuchen die Rekonstruktion früher Brenntechniken. In unserem Labor wird zur Zeit frühe Keramik aus Batán Grande, Peru und aus dem keltischen Oppidum von Manching untersucht. Die Archäometrie-Gruppe unseres Instituts hat eine eigene Homepage mit zusätzlichen Informationen.
• Prähistorische Goldmünzen
  Prähistorische Goldmünzen, hier insbesondere keltische Goldmünzen, bestehen meist aus einer Au-Ag-Cu Legierung, wobei Silber und Kupfer nicht selten einen Anteil von 20 At.% haben können. Durch Laugungseffekte, entweder durch "Putzen" des Münzrohlings mit Säuren oder durch die jahrtausendlange Bodenlagerung, werden die weniger edlen Metalle Silber und Kupfer aus der Oberfläche ausgewaschen, so daß die Oberfläche goldreicher ist als das Ausgangsmaterial. Oberflächenanalysen geben daher ein falsches Bild von der Zusammensetzung. Herkömmliche Mössbauer-Transmissionsmessungen sind wegen der Dicke der Münzen nicht möglich. Jedoch können Mössbauerspektren in Rückstreugeometrie (Eindringtiefe 260 µm) und CEMS-Messungen (Eindringtiefe 2.5 µm) in Kombination mit Dichtebestimmungen Aufschluß über Ausgangsmaterial und Laugungseffekte geben. Damit wird eine zerstörungsfreie Analyse der Münzen möglich.
• Einige weitere aktuelle Forschungsgebiete:
  • Untersuchung von Golderzen
  • Systematik von Goldverbindungen
  • Gold in Gläsern (Goldrubinglas)
  • Zinkferrite (Spinelle)

• Siegfried Haslbeck,
  "Mössbaueruntersuchungen an Goldrubinglas,"
  Diplomarbeit, 1998 (Zusammenfassung).
• Thomas M. A. Hutzelmann,
  "Mössbaueruntersuchungen an archäologischer Keramik aus Batán Grande,"
  Diplomarbeit, 1998.
• Gerhard Große,
  "Mößbauerspektroskopische Untersuchungen am System Mangan-Zinn-Wasserstoff,"
  Doktorarbeit, 1997 (Zusammenfassung).
• Norbert G. Distler,
  "Untersuchung von keltischer Graphittonkeramik mit Neutronenaktivierungsanalyse und Mössbauerspektroskopie,"
  Diplomarbeit, 1996.
• Andreas Kyek,
  "Oberflächensensitive Mössbauerspektroskopie an Gold,"
  Diplomarbeit, 1996 (Zusammenfassung).
• Martin Regen,
  Konversionselektronen-Mössbauerspektroskopie mit der 77 keV Gammastrahlung von ¹⁹⁷Au,"
  Diplomarbeit, 1994.
• Manfred Baier,
  "Mössbauerspektroskopische Untersuchungen an Metall-Wasserstoff-Systemen,"
  Doktorarbeit, 1994.
• Josef Friedl,
  "Untersuchungen an Goldmineralen und goldhaltigen Erzen mittels Mössbauerspektroskopie,"
  Doktorarbeit, 1993.
• Gerhard Große,
  "Wasserstoffinduzierte Gitterverzerrungen in Niobhydrid: Mössbauerspektroskopie und Monte Carlo-Simulation,"
  Diplomarbeit, 1992.
• Rolf-Dieter Bott,
  "Untersuchung zum Brennverhalten von keltischer Keramik aus dem Oppidum von Manching,"
  Diplomarbeit, 1992.
• Thomas Raudaschl,
  "Mössbauerspektroskopie and gemischtmetallischen Katalysatoren,"
  Diplomarbeit, 1992.
• Brigitta M. M. Elffroth,
  "Untersuchungen zum Brennverhalten von Keramik aus Kamid el-Loz,"
  Diplomarbeit, 1991.
• Hans-Jürgen Rinser,
  "Beiträge zum Verständnis des Systems ⁵⁷Fe:NbH_x: Mössbauerspektroskopie und Monte Carlo-Simulation," Diplomarbeit, 1991.
• Josef Friedl,
  "Mössbauerspektroskopische Untersuchungen an Mineralen, Erzen und Aktivkohleadsorbaten des Goldes,"
  Diplomarbeit, 1989.
• Henning Freiherr von Brandis,
  "Mössbauerspektroskopie an Pt-Ir-Katalysatoren,"
  Diplomarbeit, 1989.
• Georg Schneider,
  "Untersuchung von Nickelhydrid unter hohem Druck mit Hilfe der Mössbauerspektroskopie an ⁵⁷Fe,"
  Diplomarbeit, 1989.
• Manfred Baier,
  "Untersuchung von Nickelhydrid mit Hilfe der Mössbauerspektroskopie an ⁵⁷Fe,"
  Diplomarbeit, 1989.
• Sybille Gräfin v. Lippe,
  "Mössbauerspektroskopie an reduzierend gebrannten archäologischen Keramiken,"
  Diplomarbeit, 1989.
• Rainer W.J. Wordel,
  "Untersuchung von Niobhydrid und Niobdeuterid mittels der Mössbauerspktroskopie und der gestörten Gamma-Gamma Winkelkorrelation," Doktorarbeit, 1988.

Zeitschriftenartikel und Konferenzbeiträge

• L. Stievano, S. Santucci, L. Lozzi, S. Calogero and F.E. Wagner,
  "¹⁹⁷Au Mössbauer Study of Gold Nanoparticles Obtained by Evaporation of Metallic Gold on Mylar,"
  J. Non-Cryst. Mat. (1998)
• G. Grosse, F.E. Wagner, V.E. Antonov and T.E. Antonova,
  "Influence of Dissolved Hydrogen on the Néel Temperature of alpha-Mn(Sn) Solid Solutions,"
  ICAME '97
• U. Wagner, R. Gebhard, E. Murad, G. Grosse, J. Riederer, I. Shimada and F.E. Wagner,
  "Formative Ceramics from the Andes and their Production: A Mössbauer Study,"
  Hyperfine Interactins 110 (1997) 165.
• F.E. Wagner, S. Galvagno, C. Milone, A.M. Visco, L. Stievano and S. Calogero,
  "Mössbauer Characterisation of Gold/Iron Oxide Catalysts,"
  J. Chem. Soc., Faraday Transact. 93 (1997) 3403.
• G. Grosse, F.E. Wagner, V.E. Antonov and T.E. Antonova,
  "¹¹⁹Sn Mössbauer Study of Mn₃SnH_x,"
  J. Alloys Comp. 253-254 (1997) 339.
• M. Bork, R. Hoppe, A. Hofstaetter, A. Scharmann und F.E. Wagner,
  "Ein grünes paramagnetisches Goldfluorid - Sn_1-xAu_xF₄?"
  Z. anorg. allg. Chemie 622 (1996) 1721.
• J. Friedl, A. Füssel, R. Gebhard, A. Kyek, G. Lehrberger, T. Kobayashi, M. Regen and F.E. Wagner,
  "¹⁹⁷Au Mössbauer Study of Celtic Gold Coins,"
  Conf. Proc. Vol. 50, Int. Conf. on the Applications of the Mössbauer Effect, Rimini, Italy, 10-16 Sept. 1995, Ed. I Ortalli (Italian Physical Society, Bologna 1996) 773.
• R.D. Bott, R. Gebhard, F.E. Wagner and U. Wagner,
  "Mössbauer Investigation of Graphite Ware from the Celtic Oppidum of Manching,"
  Hyperfine Interactions 91 (1994) 639.
• F.E. Wagner, J.A. Sawicki, J. Friedl, J.A. Mandarino, D.C. Harris and L.J. Cabri,
  "¹⁹⁷Au Mössbauer Study of the Gold-Silver Ditellurides Sylvanite, Krennerite and Calaverite,"
  Canadian Mineralogist 32 (1994) 189.
• M. Baier, M. Karger, R. Ostermayer, F.E. Wagner, I. Duganzic, H.J. Bauer, V.E. Antonov, T.E. Antonova and S.M. Filipek,
  "Hydrogen Uptake of Palladium-Gold Alloys Studied by ¹⁹⁷Au Mössbauer Spectroscopy,"
  Z. Phys. Chem. NF 179 (1993) 309.