Neue Monochromatoroptiken für den „tender“ Röntgenbereich
Schematische Darstellung des neuartigen Monochromatorkonzepts an der U41-PGM1-Beamline bei BESSY-II basierend auf einem Multilayer beschichteten Sägezahn-Gitter und Planspiegel zur Verbesserung des Photonenflusses im „tender“ Röntgenphotonenenergiebereich (1,5 – 5,0 keV). Der Ausschnitt zeigt ein TEM-Bild des Querschnitts der Cr/C-Multilayer-Gitterstrukturen. Zur besseren Visualisierung der Gitterperiode wurde das Bild horizontal 10-fach komprimiert. © HZB / Small Methods 2022
Röntgenmikroskopische Aufnahmen einer 400 nm dicken Lamelle, die aus einem modernen Mikrochip extrahiert wurde. Die Einzelbilder stammen aus einer mikrospektroskopischen Energieserie aufgenommen an der Si-K-Absorptionskante. Die NEXAFS-Spektren wurden aus der Energieserie für SiCN- und OSG-Materialien extrahiert. Die entsprechenden Energiepeaks ergeben sich auf Grund der dominierenden Si-C-Bindungen für SiCN und der dominierenden Si-O-Bindungen für OSG-Dielektrika. © HZB / Small Methods 2022
Bislang war es äußerst langwierig, Messungen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Ortsauflösung mittels Röntgenlicht im „tender“ Energiebereich von 1,5 - 5,0 keV durchzuführen. Dabei eignet sich genau dieses Röntgenlicht ideal, um Energiematerialien für Batterien oder Katalysatoren, aber auch biologische Systeme zu untersuchen. Dieses Problem hat nun ein Team aus dem HZB gelöst: Die neu entwickelten Monochromatoroptiken erhöhen den Photonenfluss im „tender“ Energiebereich um den Faktor 100 und ermöglichen so hochpräzise Messungen nanostrukturierter Systeme. An katalytisch aktiven Nanopartikeln und Mikrochips wurde die Methode erstmals erfolgreich getestet.
Für die Umstellung auf eine klimaneutrale Energieversorgung werden vielfältigste Materialien für Umwandlungsprozesse benötigt, zum Beispiel katalytisch aktive Materialien und neuartige Elektroden für den Einsatz in Batterien. Viele dieser Materialien besitzen Nanostrukturen, die ihre Funktionalität steigern. Bei der Untersuchung dieser Proben werden spektroskopische Messungen zum Nachweis der chemischen Eigenschaften idealerweise mit Röntgenbildgebung mit hoher Ortsauflösung im Nanobereich kombiniert. Da Schlüsselelemente in diesen Materialien, wie Molybdän, Silizium oder Schwefel, jedoch vorwiegend auf Röntgenstrahlung im sogenannten „tender“ Photonenenergiebereich reagieren, gab es bislang ein großes Problem.
Denn in diesem mittleren „tender“ Energiebereich zwischen weicher und harter Röntgenstrahlung liefern herkömmliche Röntgenoptiken aus Plangitter- oder Kristallmonochromatoren nur sehr geringe Effizienzen. Ein Team aus dem HZB hat dieses Problem nun gelöst: „Wir haben neuartige Monochromatoroptiken entwickelt. Diese Optiken basieren auf einem angepassten, Multilayer beschichteten Sägezahn-Gitter mit einem Planspiegel“, sagt Frank Siewert von der HZB-Abteilung Optik und Strahlrohre. Das neue Monochromatorkonzept steigert den Photonenfluss im „tender“ Röntgenbereich um den Faktor 100 und ermöglicht damit erstmals hochempfindliche spektromikroskopische Messungen mit hohen Auflösungen. „Innerhalb kurzer Zeit konnten wir Messdaten aus NEXAFS-Spektromikroskopiestudien im Nanobereich erhalten, dies haben wir an katalytisch aktiven Nanopartikeln und modernen Mikrochipstrukturen nachgewiesen“ sagt Stephan Werner, Erstautor der Publikation. „Die neue Entwicklung ermöglicht jetzt Experimente, die sonst monatelange Datenerfassung erfordert hätten“, betont Werner.
„Dieser Monochromator wird die Methode der Wahl für die Bildgebung in diesem Röntgenbereich werden, nicht nur an Synchrotronen weltweit, sondern auch an Freien-Elektronen-Lasern und Laborquellen“, sagt Gerd Schneider, der die Abteilung Röntgenmikroskopie am HZB leitet. Er erwartet enorme Auswirkungen auf viele Bereiche der Materialforschung: Studien im „tender“ Röntgenbereich könnten die Entwicklung von Energiematerialien deutlich voranbringen und damit einen Beitrag zu klimaneutralen Lösungen für die Strom- und Energieversorgung leisten.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.