Neu am Campus Wannsee: CoreLab Quantenmaterialien
In diesem optischen Zonenschmelzofen enstehen große Einkristalle. © M. Setzpfandt/HZB
Eine Laue-Apparatur ermöglicht es, die Kristalle präzise auszurichten. © M. Setzpfandt/HZB
Die Messung von spezifischer Wärme und anderen Eigenschaften gibt Hinweise auf Phasenübergänge in der Probe. © M. Setzpfandt/HZB
Das Helmholtz-Zentrum Berlin erweitert sein Angebot an CoreLabs für die Forschung an Energiematerialien. Zusätzlich zu den fünf bereits etablierten CoreLabs wurde nun ein CoreLab für Quantenmaterialien eingerichtet. Ein Forscherteam vom HZB-Institut für Quantenphänomene in neuen Materialien betreut das CoreLab mit dem modernen Gerätepark. Das CoreLab steht auch Messgästen aus anderen Forschungseinrichtungen offen.
Quantenphänomene treten in der Regel am deutlichsten in perfekten Einkristallen und bei tiefen Temperaturen auf. Um solche Einkristalle herzustellen, mit Laborexperimenten zu vermessen oder für Messungen an der Neutronenquelle BER II oder bei BESSY II vorzubereiten, hat ein Team um Prof. Dr. Bella Lake und Dr. Konrad Siemensmeyer ein eigenes CoreLab für Quantenmaterialien aufgebaut. Auch externe Forscherinnen und Forscher können dieses CoreLab nutzen und dabei von der Expertise des HZB-Teams profitieren.
Zucht und Vorbereitung von Einkristallen
Denn häufig liegen die Materialien nicht als große Einkristalle vor, sondern müssen erst als Pulver in winzigen Mikrokristallen hergestellt werden. Schon diese Synthese ist oft schwierig und ist deshalb ein zentrales Thema in diesem HZB-CoreLab. Aus diesen Pulverproben lassen sich dann mit einem leistungsstarken optischen Zonenschmelzofen größere Einkristalle ziehen, die deutlich aussagekräftigere Messungen erlauben. Die Zucht von Einkristallen aus Pulverproben erfordert viel Erfahrung, die am HZB vorhanden ist. Eine Laue-Apparatur ermöglicht es, diese Kristalle präzise auszurichten. Im Anschluss lassen sich die Kristalle dann für weitere Experimente mit einer Fadensäge orientiert schneiden oder ihre Flächen polieren. Die Methoden sind sehr flexibel und für alle möglichen Messungen einsetzbar. Proben für Neutronenexperimente, Experimente an BESSY II oder Laborexperimente sind hier leicht herzustellen. Weniger erfahrene Nutzer werden eng betreut, damit auch dort der Erfolg sichergestellt werden kann.
Transporteigenschaften und Phasenübergänge
In einem weiteren Raum stehen hohe magnetische Felder, tiefe Temperaturen mit zwei „Physical Property Measurement Systems“ sowie ein empfindliches SQUID-Magnetometer bereit. Damit lassen sich Transporteigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit, aber auch die Magnetisierung und spezifische Wärme von Materialien messen. Die Messung dieser Eigenschaften macht so genannte Phasenübergänge sichtbar. Diese Phasenübergänge hängen mit quantenphysikalischen Gesetzmäßigkeiten zusammen und zeigen an, dass sich im Innern der Materialien neue Ordnungen etablieren.
CoreLabs für Nutzer aus Forschung und Industrie
Als Betreiber von Großgeräten hat das HZB große Erfahrung mit der Organisation eines externen Nutzerbetriebs. Diese Erfahrung bringt das HZB nun auch in den Betrieb der CoreLabs ein, die mit modernsten, teilweise einzigartigen Instrumenten und Geräten für die Analyse und Synthese von Energiematerialien ausgestattet sind. Auch internationale Messgäste und Partner aus der Industrie sind hier willkommen.
- Präzise Grenzflächenchemie steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenIm Rahmen einer internationalen Forschungskooperation wurde eine neue molekulare Strategie entwickelt, um eine der Grenzflächen in Perowskit-Solarzellen zu verbessern. Die daraus resultierenden Solarzellen erreichten in der n-i-p-Architektur einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 26,19 % bei gleichzeitig hoher Betriebsstabilität unter längerer Bestrahlung und erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse wurden im „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht.
- Perowskit-Dreifachsolarzellen: Noch effizienter mit GO/SAM DoppelschichtPerowskit-Halbleiter wandeln Sonnenlicht effizient in elektrische Energie um, darüber hinaus sind sie günstig und superleicht. Ein Team am HZB hat eine Dreifachsolarzelle aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern mit einer neuartigen Doppelschicht aus Graphenoxid und SAM als Lochleiter entwickelt. Sie konnten zeigen, dass diese Doppelschicht sowohl den Wirkungsgrad als auch die Langzeitstabilität deutlich steigert. Der Wirkungsgrad der neuartigen Perowskit-Dreifachsolarzelle beträgt 27,3% und fällt auch nach mehr als 770 Stunden in Betrieb kaum ab. Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift Joule erschienen.
- Magnetische Bildgebung: Mikroblumen verstärken das lokale MagnetfeldMaterialien mit magnetischen Nanostrukturen bieten viele Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Spintronik. Um solche Materialien zu untersuchen, sind magnetisch empfindliche Bildgebungsverfahren im Nanobereich geeignet, bisher konnten während des Bildgebung jedoch nur schwache Magnetfelder angelegt werden. Nun hat eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Sergio Valencia vom HZB einen Ansatz entwickelt, der diese Einschränkung überwindet. Das Team entwarf winzige Magnetflusskonzentratoren (MFCs). Die Geometrie der MFCs ähnelt einer Blume und fokussiert das angelegte Magnetfeld auf das Zentrum, in dem die Probe sitzt. Die „Mikroblumen“, die das Magnetfeld lokal verstärken, können in vielen nanometrischen magnetischen Mikroskopieverfahren eingesetzt werden.