Die Abteilung: Methoden zur Charakterisierung von Transportphänomenen in Energiematerialien

Die Aufgabe unserer Abteilung “Methoden zur Charakterisierung von Transportphänomenen in Energiematerialien“ (EM-AMCT) ist es, Neutronen- und Photonenstreutechniken anzuwenden, um das dynamische Zusammenspiel von Quasi-Teilchen und Ladungstransport in neuartigen Materialien für die Energieumwandlung zu untersuchen. Ein besonderer Forschungsschwerpunkt ist die Untersuchung hocheffizienter thermoelektrischer Materialien. Wir untersuchen die Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften von mikroskopischer Struktur und Dynamik bis zu makroskopischen thermoelektrischen Eigenschaften. Grundlagenforschung der Wechselwirkungsprozesse auf dem Niveau elementarer Anregungen im Festkörper und Zugang zu meV bis µeV Energieauflösung ist Schlüssel zu einem fundamentalen Verständnis der Transportphänomene in jedem Festkörper. Dieses Wissen ist wiederum notwendige Voraussetzung für optimierte Designstrategien für Materialien mit niedriger thermischer, aber hoher elektrischer Leitfähigkeit und Thermopower. Die Unterdrückung der Phononenausbreitung auf allen Längenskalen von interatomaren Abständen in Kristallstrukturen bis zum nm-Bereich, die für die Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit verantwortlich ist, ist das umfassende Thema unserer Forschung.

Mit dem Betrieb des Dreiachsenspektrometers FLEXX für kalte Neutronen als wichtigstes Werkzeug zur Spektroskopie niederenergetischer Elementaranregungen hat die Abteilung spezielle Expertise in hochauflösender Spectroskopie. Während die HZB-Eigenforschung FLEXX für das wichtige Feld der Energiematerialforschung innerhalb des Helmholtz programms “Energie-Effizienz, -Materialien und -Ressourcen (EMR)” nutzt, erhält das Instrument internationale Aufmerksamkeit im Benutzerservice wo es sich starker Nachfrage erfreut, zum Teil wegen der hochentwickelten Möglichkeiten der Probenumgebung am HZB. Expertise in fortgeschrittenen Neutronenmethoden basierend auf Larmor-Markierung und insbesondere der Neutronen-Spin-Echo-Methode ist in der Abteilung vorhanden. Die Technik liefert µeV-Auflösung für das Kartieren von dispersiven Anregungen, die die präzise Bestimmung der Lebenszeiten von Quasi-teilchen erlaubt und damit die Standard-Neutronenstreuung in Zeitdomäne ergänzt.

Während Neutronenstreuung heutzutage die unerreichte Untersuchungsmethode der Wahl für die Untersuchung elementarer Anregungen mit hoher Energieauflösung ist, müssen Photonenstreutechniken noch in den Bereich hoher Auflösung gebracht werden. Um Schlüsselkompetenz in Methodik und Instrumentierungsprojekten aufzubauen, ist ein besonderer Schwerpunkt in der Abteilung, die Expertise in Richtung auf eine Spitzenposition in Photonentechnologien zu entwickeln. Ein aufkommendes Ziel ist es, Innovationen in Instrumentierung zur Materialcharakterisierung durch Benutzung inelastischer Photonenstreuung zu liefern. Möglichkeiten hierzu bietet die Entwicklung von Spektrometern mit optimiertem Auflösungsvermögen und Photonenfluss für resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (PES) an BESSY II, einem Synchrotron der 3. Generation.