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.
- Iridiumfreie Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse untersuchtWasserstoff wird künftig eine wichtige Rolle spielen, als Brennstoff und als Rohstoff für die Industrie. Um jedoch relevante Mengen an Wasserstoff zu produzieren, muss Wasserelektrolyse im Multi-Gigawatt-Maßstab machbar werden. Ein Engpass sind die benötigten Katalysatoren, insbesondere Iridium ist ein extrem seltenes Element. Eine internationale Kooperation hat daher Iridiumfreie Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse untersucht, die auf dem Element Kobalt basieren. Durch Untersuchungen, unter anderem am LiXEdrom an der Berliner Röntgenquelle BESSY II, konnten sie Prozesse bei der Wasserelektrolyse in einem Kobalt-Eisen-Blei-Oxid-Material als Anode aufklären. Die Studie ist in Nature Energy publiziert.
- MXene als „Rahmen“ für zweidimensionale Wasserfilme zeigt neue EigenschaftenEin internationales Team unter Leitung von Dr. Tristan Petit und Prof. Yury Gogotsi hat MXene mit eingeschlossenem Wasser und Ionen an der BESSY II untersucht. Dabei ging das Wasser mit steigender Temperatur vom Zustand als lokalisierte Eiskluster in einen quasi-zweidimensionalen Wasserfilm über. Das Team entdeckte dabei, dass diese strukturellen Veränderungen des eingeschlossenen Wassers im MXene einen reversiblen Phasenübergang bewirken: vom Metall zum Halbleiter. Dies könnte die Entwicklung neuartiger Bauelemente oder Sensoren auf Basis von MXenen ermöglichen.
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