22
' ) 0 ( ~ ) ( ~ ' 4 1 ' * ' * ) 0 ( ~ ' ) ( ~ ' ' 2 1 2 1 2 2 2 2 ' ' )) 1 ( ( 1 2 1 ) , ( ) 0 ( ) ( ) ( ) ( 1 2 1 ) , ( ) , ( ' ) , ( ) ˆ ˆ ( ' ' jj T i t i j j jj j N j N j j t i nuc T i j t i j jj j j t i mag nuc mag j j j j e e I I b b b b N dte S e J e t J gF gF N dte S S k k N S mc e k k N dE d d R κ R κ R κ R κ κ κ κ κ κ κ Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) ' ' 4 1 ' * ' * ' ' )) 1 ( ( 1 ) ( jj i i j j jj j N j N W W j j el nuc j j j j e I I b b e b b N S R κ R κ ) ( ) ( ~ t t j j j u R R ' ' ' ' 2 1 ' 2 1 ) ( ) ( 1 ) ( j j j j W W i i T j j T j jj j el mag e e J gF J gF N S R κ R κ ilung von S: elastische – inelastische Streufunktio inel mag el mag mag inel nuc el nuc nuc S S S S S S

Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

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Page 1: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

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k

kN

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RκRκ

RκRκ

κ

κ

κκκκ

Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω)

'

'41'*'*

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iijjjj

jN

jN

WWjjelnuc

jjjj eIIbbebbN

S RκRκ

)()(~

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'21 )()(

1)( jjjj WWii

TjjTjjj

j

elmag eeJgFJgF

NS RκRκ

Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

inelmag

elmagmag

inelnuc

elnucnuc

SSS

SSS

Page 2: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

)(2

.../2

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...

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2/

2/

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2/

2/

/'2

0

/2

qa

eLxqa

c

xcx

eL

xx

dxexfeL

xf

dxexffwithefxf

n

iqna

n

Lxxin

L

L

Lnxi

n

Linx

L

L

Lnxin

n

Linxn

A shortExcursionto FourierAnd DeltaFunctions ....

it follows by extending the range of x to more than –L/2 ...L/2 andgoing to 3 dimensions (v0 the unit cell volume)

τ

GκGκ τκ

..0

3

'

)()2(

'

lattrezG

kk

ii

vNe kk

Page 3: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

ddd

dN

B

d

Wdd

B

dd

WWidd

Blattrez

elnuc

IIbN

ebbN

eebbNv

S

d

dddd

)1(1

)(

1)(

1)(

)2()(

41

2

222

'

)('

*

..0

3''

BBκ

τ

τκ

Neutronen – Diffraktion

'412'*

)1(||11

)( ''

jj jjj

jN

WWiijjelnuc IIb

Neebb

NS jjjj RκRκ

Gitter G mit Basis B: dkjkdj BGR

)........(

„Isotopen-inkoherente-Streuung“

„Spin-inkoherente-Streuung“

unabhängig von κ:

Gitterfaktor Strukturfaktor

ein Element(NB=1): )1()(44 41222

dd

dN

incel

nucinc

elnuc IIbbbN

d

d

i 2||4 bc

Page 4: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

ddd

dN

B

W

ddd

B

dd

WWidd

Blattrez

elnuc

IIbN

ebbN

eebbNv

S

d

dddd

)1(1

)(

1)(

1)(

)2()(

41

2

222

'

)('

*

..0

3''

BBκ

τ

τκ

Gitterfaktor Strukturfaktor

The Nobel Prize in Physics 1994

"In simple terms, Clifford G. Shull has helped answer the question of where atoms are, ...“, (Nobel citation)

Page 5: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

Inco

min

g

Neutr

on

τ

Oa*

c*

Bragg’s Law in Reciprocal Space (Ewald Sphere)

Scatte

red

Neutr

on

Page 6: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

Einkristall-diffraktometrie

E2 – HMI, Berlin

τ

O

k

Page 7: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

Bragg’s Law in Reciprocal Space (Ewald Sphere)

Neu

tron

C

τ

O

Reflecting Plane

sin OB τ= sin = O τ /OB = O τ /(2/

sin = (O τ/2)But since τ is a reciprocal lattice point, the length O τ is by definition equal to 2/dhkl

sin = (1/2dhkl)

2dhkl sin =

sin = (1/2dhkl) = (1/2)(1/dhkl) = (1/2)hkl

Page 8: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

Pulver- diffraktometrie

D1B

guide hall n°1, thermal guide H22

monochromator

take-off angle 44.22°

crystal pyrolytic graphite (002)

. wavelength 2.52 Å

. flux at sample/n cm-2s-1 6.5 x 106

crystal Germanium (311)

. wavelength 1.28 Å

. flux at sample/n cm-2s-1 0.4 x 106

max beam size 5 x 2 cm2

angular range 2     -20° ... 144°

detector

3He multidetector containing 400 cells

angular range 2     80°

radius of curvature 1.525 m

detector efficiency 60 % at   = 2.52 Å max diameter / mm available around the sample

600

sample environment

cryostat 1.7 ... 300 K

furnace < 800 °C

furnace < 2500 °C by special arr

electromagnet 1 T; 22 mm vertical or horizontal gap

Page 9: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

GdCu2In

|κ|[Å-1] 0 1 2 3 4 5 6

I(κ)

[co

unts

]

2||)( 21

SFTLI SF.. StrukturfaktorL ... Lorentzfaktor (betont kleine Winkel) Einkristall: 1/sin2θ Pulver Zyl.:1/(sin2θ.sinθ)

T Transmissionskoeffizientγ Korrektur für Extinktion

Pulver-diffraktometrie

)sin(4

2θ.... Streuwinkel Detektor

dIdI )()(

7C2, LLB Saclay

Page 10: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

GdCu2In#lambda= 0.58 A#thetamax=18#nat=4 nonmagnetic atoms in primitive crystallographic unit cell:#[atom number] x[a] y[b] z[c] dr1[r1] dr2[r2] dr3[r3] [Gd] 0 0 0 0 0 0[Cu] 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25[Cu] 0.25 0.25 0.75 0.75 0.75 -0.25[In] 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5# a=6.62 b=6.62 c=6.62 alpha= 90 beta= 90 gamma= 90# r1x= 0 r2x= 0.5 r3x= 0.5# r1y= 0.5 r2y= 0 r3y= 0.5 primitive lattice vectors [a][b][c]# r1z= 0.5 r2z= 0.5 r3z= 0# nofatoms=1 number of atoms in primitive unit cell

)(1

)()2(

'

)('

*

..0

3''

dd

WWidd

Blattrez

cohel

nucdddd eebb

NvS BBκ

τ

τκ

Gitterfaktor Strukturfaktor

  h k l d[A] |kappa|[A^-1]2theta Ikern imag itot |sf| lpg } 1.000 1.000 1.000 3.82206 1.64389 8.703 11.661 0.000 11.661 24.966 87.101 -1.000 -1.000 -1.000 3.82206 1.64389 8.703 11.661 0.000 11.661 24.966 87.101 -1.000 1.000 1.000 3.82206 1.64389 8.703 11.661 0.000 11.661 24.966 87.101 1.000 -1.000 -1.000 3.82206 1.64389 8.703 11.661 0.000 11.661 24.966 87.101 1.000 -1.000 1.000 3.82206 1.64389 8.703 11.661 0.000 11.661 24.966 87.101 -1.000 1.000 -1.000 3.82206 1.64389 8.703 11.661 0.000 11.661 24.966 87.101 1.000 1.000 -1.000 3.82206 1.64389 8.703 11.661 0.000 11.661 24.966 87.101 -1.000 -1.000 1.000 3.82206 1.64389 8.703 11.661 0.000 11.661 24.966 87.101 0.000 2.000 0.000 3.31000 1.89820 10.053 0.025 0.000 0.025 1.336 65.389 0.000 -2.000 0.000 3.31000 1.89820 10.053 0.025 0.000 0.025 1.336 65.389 0.000 0.000 2.000 3.31000 1.89820 10.053 0.025 0.000 0.025 1.336 65.389 0.000 0.000 -2.000 3.31000 1.89820 10.053 0.025 0.000 0.025 1.336 65.389 2.000 0.000 0.000 3.31000 1.89820 10.053 0.025 0.000 0.025 1.336 65.389 -2.000 0.000 0.000 3.31000 1.89820 10.053 0.025 0.000 0.025 1.336 65.389 0.000 2.000 2.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 0.000 -2.000 -2.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 2.000 2.000 0.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 -2.000 -2.000 0.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 -2.000 0.000 2.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 2.000 0.000 -2.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 2.000 0.000 2.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 -2.000 0.000 -2.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 -2.000 2.000 0.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 2.000 -2.000 0.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 0.000 -2.000 2.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822 0.000 2.000 -2.000 2.34052 2.68446 14.235 83.558 0.000 83.558 109.804 32.822

Page 11: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

Beispiel 2

• In einem elastischen Streuexperiment beträgt die Einfallsenergie 63 meV. Die Gitterkonstante der kubischen Probe beträgt 0.314 nm. Kann der (430) Reflex in diesem Streuexperiment vermessen werden ?

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Neutron – PhotonStreuquerschnitte

Vorteile von Neutronen:1. Kontrast bei benachbarten Elementen – man sieht z.B. Überstrukturen2. Leichte Elemente besser nachweisbar3. Isotope können unterschieden werden

Page 13: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

Laue Methode• Einkristalle •„weißer“ Strahl• Film oder Flächendetektor hinter der Probeschnelles Erkennen der Symmetrie -wird zum Orientieren von Einkristallen benutzt

VIVALDI

very-intense vertical-axis Laue diffractometer

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4-Kreismethode•Einkristalle •monochromatischer Strahl• ein Detektor• EK in beliebige Richtungen orientierbar (Eulerwiege)

D10ILL

φχ

ω

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Flugzeitmethode

Spallationsquelle (gepulst)

Probe

Det

•Streuwinkel fest (Vorteil z.B. bei Druckzellen)• |k| wird variiert (kein Monochromator) über die Zeit (zuerst kommen die raschen, dann die langsameren Neutronen) • bessere Nutzung der Quelle (keine Monochromator-verluste)•Auflösung umso besser, je größer Abstand zur Quelle (HRPD: 90m)

Page 16: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

Time-of-flight

Bragg equation - 2dhklsin =

Two basic equations:

mv

h

t

Lv

where m,v = mass, velocity of neutron

L = length of flight path t = time of flight of neutron

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Time-of-flight equation

Combine: sind2

mL

ht

sindh

mL2t

L is a constant for the detector, h, m are constants so:

t d

d-spacings are discriminated by the time of arrival of the neutrons at the detector

Page 18: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

The biggest error in the experiment is where the neutrons originate

This gives an error in the flight path, L

typical value ~5cm

d

d

t

t

L

L

Hence as L increases, error in d is reduced - resolution of the instrument is improved

e.g. instrument at 10m compared to instrument at 100m

100m = HRPD, currently highest resolution in the world

Page 19: Unpolarisierte Neutronen- Van Hove Streufunktion S(κ,ω) Aufteilung von S: elastische – inelastische Streufunktion

HRPD, GEM

Sample area collimators and detectors on HRPD.  Neutrons enter via the yellow flight tube on the left.

GEMGeneralpurposeMaterialsDiffraktometer

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p-dichlorobenzene (DCB)

refined structure

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.

a/h

c/l

b/k

A

C

dhkl

C = ah

bk

-

h ka b -C . hkl= ( ( . (h a * + k b * + l c *)=

bh ka -

. (h a * + k b * + l c *) (h a * + k b * + l c *) =.

hh

+ 0 + 0 – (0 + kk

+ 0) = 1 – 1 = 0

Therefore hkl is perpendicular to C . In the same way one can showthat it is perpendicular to A, therefore perpendicular to the plane

hkl = h a * + k b * + l c *

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|hkl| n = ha* + kb* + lc* ha* + kb* + lc*

|hkl|n =

ahdhkl = cos = a

h. n =

ah

ha* + kb* + lc*

|hkl|. =

|hkl|