Einkristallstrukturanalyse

Begriffsklärung

Die Einkristallstrukturanalyse ist eine Methode zur Untersuchung der Struktur von einkristallinen Stoffen, also von festen Körpern mit einer regelmäßigen Anordnung der Atome in nur einem einzigen Gitter. Hierbei kann die mittlere Anordnung der Atome genau vermessen und deren Positionen im Kristallgitter ermittelt werden. Jedes kristalline, dreidimensional periodische Material kann nach der Symmetrie seiner Kristallstruktur in eine von 230 Raumgruppen eingeteilt werden. Diese sind durch Kombinationen von Dreh- und Verschiebungsoperationen charakterisiert, die zu periodischen „Motiven“ aus Atomen führen, und dadurch, zusammen mit den Atompositionen, den Aufbau der dreidimensionalen Kristallstruktur beschreiben.

Wofür ist die Methode interessant?

Das Wissen um die Kristallstruktur ist für die Interpretation vieler chemischer (z. B. Bindungsverhältnisse) und physikalischer (z. B. Piezoelektrizität) Eigenschaften unbedingt erforderlich, da diese wesentlich durch die Anordnung der Atome festgelegt werden. Aber auch in der Medizin ist die Kenntnis der Kristallstruktur für das Verständnis der Wirkungsweise und der Entwicklung neuer Medikamente von großer Bedeutung. Nicht zuletzt benötigt u. a. die theoretische Festkörperphysik Eingangsdaten, d. h. die Kristallstruktur, um verschiedene Phänomene bzw. Eigenschaften zu erklären oder vorauszusagen.

Die Methode im Detail

Ausgenutzt wird hier das Phänomen der Beugung, welches auch aus der Optik bekannt ist. Durch konstruktive Interferenz der an den Atomen, genauer an den Elektronen, gestreuten Teilstrahlen entsteht ein Beugungsmuster, welches aus einzelnen Beugungsmaxima, den sogenannten Reflexen besteht. Aus der Anordnung der einzelnen Reflexe und der Intensität dieser kann dann auf die Anordnung der Atome geschlossen werden. Die Einkristalldiffraktometrie erfordert Präparate in der Größenordnung von einigen 100 Mikrometern (entspricht 0,1 mm). Das Präparat wird mit einem definierten Röntgenstrahl durchstrahlt (Transmissionsgeometrie) und die reflektierte Strahlung vermessen. Gemessen werden dabei sowohl die Intensität des reflektierten Strahls als auch der Winkel, unter dem dieser reflektiert wird.

Welche Informationen können gewonnen werden?

Mit Hilfe der Röntgeneinkristallstrukturanalyse lassen sich Informationen über die Gitterparameter, also die Abmessung und Geometrie der Elementarzelle, die Strukturparameter, also Atomkoordinaten bzgl. der Elementarzelle, die Besetzungswahrscheinlichkeiten der einzelnen Atomlagen, sowie thermische oder unordnungsbedingte Verschiebungen der Atome gewinnen. Da die Streuung der Röntgenstrahlung im Wesentlichen an den Elektronen der Atome erfolgt, kann mit Hilfe der Einkristallstrukturanalyse die Elektronendichteverteilung im untersuchten Kristall rekonstruiert werden. Daneben lassen sich geringste Fremdbestandteile, also Fremdphasen, Verzwillingungen oder Verwachsungen erkennen.

Technische Details

  • Bruker D8 Quest Vierkreisgoniometer (Kappa-Geometrie)
  • Röntgenröhre mit Mo--Strahlung (TRIUMPH-Monochromator)
  • CMOS-Pixeldetektor PHOTON 100
  • Tieftemperaturanlage KRYOFLEX II im Temperaturbereich von 80 K bis 400 K
Abb. 1: Schematische Darstellung der Elementarzelle von YNi2B2C (Raumgruppe (139) I4/mmm).

Abb. 2: Aus dem Experiment rekonstruierte Elektronendichteverteilung von YNi2B2C.

Abb. 3: Schnitt durch die Elektronendichteverteilung aus Abb. 2 bei x = 0, das entspricht der (100)-Ebene der Elementarzelle aus Abb. 1.