Oberflächenanalytik an BESSY II: Schärfere Einblicke in Dünnschicht-Systeme
Die Illustration zeigt, wie die APECS-Messung an einem Nickel-Einkristall mit oxidierter Oberfläche funktioniert. Ein Röntgenstrahl ionisiert Atome, entweder im Nickel-Kristall oder an der Oberfläche. Die angeregten Photoelektronen von der Oberfläche und aus dem Kristall haben leicht unterschiedliche Bindungsenergien. Die Auger-Elektronen ermöglichen es, die Herkunft der Photoelektronen zu bestimmen. © Martin Künsting /HZB
Grenzflächen in Halbleiter-Bauelementen oder Solarzellen spielen für ihre Funktionalität eine entscheidende Rolle. Dennoch war es bislang oft schwierig, mit spektroskopischen Verfahren angrenzende Dünnschichten getrennt zu untersuchen. Ein HZB-Team hat an BESSY II zwei verschiedene spektroskopische Methoden kombiniert und an einem Modellsystem demonstriert, wie gut die Unterscheidung damit gelingt.
Photo-Elektronen-Spektroskopie (PES) ermöglicht die chemische Analyse von Oberflächen und Halbleiterschichten. Dabei trifft ein Röntgenpuls (Photonen) auf die Probe und regt Elektronen an, die Probe zu verlassen. Mit speziellen Detektoren ist es dann möglich, Richtung und Bindungsenergie dieser Elektronen zu messen und so Auskunft über elektronische Strukturen und chemische Umgebung der Atome im Material zu erhalten. Liegen die Bindungsenergien jedoch in angrenzenden Schichten nahe beieinander, dann ist es mit PES kaum möglich, diese Schichten voneinander zu unterscheiden.
Ein Team am HZB hat nun gezeigt, wie sich dennoch präzise Zuordnungen erreichen lassen: Sie kombinierten Photo-Elektronen-Spektroskopie mit einer zweiten spektroskopischen Methode: der Auger-Elektronen Spektroskopie. Dabei werden Photoelektronen und Auger-Elektronen zeitgleich gemessen, was der resultierenden Methode ihren Namen gibt: APECS für Auger-Elektronen-Photoelektronen-Koinzidenzspektroskopie (APECS).
Ein Vergleich der so ermittelten Bindungsenergien lässt dann Rückschlüsse auf die jeweilige chemische Umgebung zu und ermöglicht so die Unterscheidung feinster Schichten. An einer einkristallinen Nickel-Probe, einem sehr guten Modellsystem für viele Metalle, konnte das Team nun zeigen, wie gut das funktioniert: Die Physiker konnten aus den Messdaten präzise die Verschiebung der Bindungsenergie der Elektronen ermitteln, je nachdem, ob diese aus der dünnen oxidierten Oberfläche oder aus den tieferen Kristallschichten stammten.
„Zunächst waren wir skeptisch, ob es gelingen würde, aus den Daten wirklich eine klare Unterscheidung herauszulesen. Wir waren begeistert über den deutlichen Effekt“, sagt Artur Born, Erstautor der Arbeit, der im Team von Prof. Alexander Föhlisch seine Doktorarbeit macht.
- Schlüsseltechnologie für eine Zukunft ohne fossile EnergieträgerIm Juni und Juli 2025 verbrachte der Katalyseforscher Nico Fischer Zeit am HZB. Es war sein „Sabbatical“, für einige Monate war er von seinen Pflichten als Direktor des Katalyse-Instituts in Cape Town entbunden und konnte sich nur der Forschung widmen. Mit dem HZB arbeitet sein Institut an zwei Projekten, die mit Hilfe von neuartigen Katalysatortechnologien umweltfreundliche Alternativen erschließen sollen. Mit ihm sprach Antonia Rötger.
- 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.
- Lithium-Schwefel-Batterien mit wenig Elektrolyt: Problemzonen identifiziertMit einer zerstörungsfreien Methode hat ein Team am HZB erstmals Lithium-Schwefel-Batterien im praktischen Pouchzellenformat untersucht, die mit besonders wenig Elektrolyt-Flüssigkeit auskommen. Mit operando Neutronentomographie konnten sie in Echtzeit visualisieren, wie sich der flüssige Elektrolyt während des Ladens und Entladens über mehrere Schichten verteilt und die Elektroden benetzt. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen, die zum Versagen der Batterie führen können, und sind hilfreich für die Entwicklung kompakter Li-S-Batterien mit hoher Energiedichte.