Spektroskopie
EXAFS und XANES zur Charakterisierung von Kathodenmaterialien
Lithium-Ionen-Batterien sind in mobilen Geräten allgegenwärtig. Um leistungsstärkere Batterien zu entwickeln, sind preiswertere und umweltfreundlichere Kathodenmaterialien mit einem höheren Sicherheitsstandard erforderlich. Am HZB untersuchen wir dazu bspw. Lithium-Schwefel- und Lithium-Silizium-Systeme zur Aufklärung bisheriger Hindernisse (z.B. Kapazitätsschwung) hinsichtlich besserer Vermarktungschancen. Neben bildgebenden Verfahren und Diffraktionsmethoden setzen wir spektroskopische Untersuchungen. Mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS, XANES) können Ladungszustände der Übergangsmetallionen in verschiedenen Kathodenmaterialien sowie Änderungen in der lokalen Struktur gemessen werden.
Vorbereitung verbrauchter Lithium-Ionen-Batterien zur Gewinnung wertvoller Rohmaterialien. © Haocheng Ji et al., https://doi.org/10.1002/adma.202407029
Thermoelektrische Materialien (RIXS)
Auf der Suche nach nachhaltigen Energieressourcen und grünen Technologien spielen thermoelektrische Materialien eine gewichtige Rolle. Sie zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, Wärme direkt in Elektrizität oder umgekehrt elektrische Energie in Temperaturgradienten umzuwandeln. Mittels RIXS-Spektroskopie (Resonant Inelastic X-ray Scattering) lässt sich der Einfluss der Kopplung von Gitterstruktur an elektronische Struktur auf die thermoelektrische Leistung untersuchen.
RIXS kann auch verwendet werden, um magnetische Anregungen in einer Vielzahl von Materialien zu untersuchen, die von Modellmaterialien für die Grundlagenforschung bis zu Materialien mit funktioneller Energie reichen. Es ist eine komplementäre Technik zu der traditionelleren Methode der inelastischen Neutronenstreuung, und durch die Kombination dieser beiden Methoden kann ein viel tieferes Verständnis der Physik magnetischer Systeme erzielt werden.
PEAXIS-Spektrometer mit Elektronenenergieanalysator (violett), RIXS-Spektrometer (blau), Probenkammer (grün) und Probenmanipulatoren (rot). Das RIXS-Spektrometer umfasst eine Gitterkammer (dunkelblau), einen RIXS-Arm (hellblau) und einen Detektor (orange). © HZB
Optimierung von Materialoberflächen mit XPS
Die Oberfläche eines Materials ist die Schnittstelle zu anderen Materialien (bspw. in Multilagensystem) oder zu seiner Umgebung. Die Leistung viele moderner Materialien kann durch ein besseres Verständnis der physikalischen und chemischen Interaktionen an der Oberfläche optimiert werden.
Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gehört zu den Standardtechniken wenn es um die Analyse von Materialoberflächen geht. Sie findet Anwendung bei einer Vielzahl von Materialien. In Kombination mit hohen Intensitäten und selektierbaren Photonenenergien der Synchrotronstrahlung bei BESSY II ist es möglich, mittels XPS chemische Analysen tiefenabhängig zu gestalten.
Mit XPS charakterisierte Elektrokatalysatoren könnten eine Schlüsselrolle in einer nachhaltigen Energiezukunft spielen. © American Association for the Advancement of Science
