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Neue Monochromatoroptiken für den „tender“ Röntgenbereich |
 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.
Den Artikel finden Sie unter:
https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=24268&sprache=de&seitenid=1
Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (11/2022)
Publikation:
Small
Methods (2022): Spectromicroscopy of nanoscale materials in the tender
X-ray regime enabled by a high efficient multilayer-based grating
monochromator
Stephan Werner, Peter Guttmann, Frank Siewert, Andrey
Sokolov, Matthias Mast, Qiushi Huang, Yufei Feng, Tongzhou Li, Friedmar
Senf, Rolf Follath, Zhohngquan Liao, Kristina Kutukova, Jian Zhang,
Xinliang Feng, Zhan-Shan Wang, Ehrenfried Zschech, Gerd Schneider.
DOI: 10.1002/smtd.202201382 |
