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.
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der JahreszeitAuf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.