Geschärfter Röntgenblick

Bislang war es äußerst langwierig, Messungen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Orts­auflösung mittels Röntgenlicht im „tender“-Energie­bereich von 1,5 bis 5,0 Kilo­elektronen­volt 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 in diesem 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 tender-Photon­enenergie­bereich reagieren, gab es bislang ein großes Problem.

Denn in diesem mittleren 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 in diesem 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 mittleren Röntgen­bereich könnten die Entwicklung von Energiematerialien deutlich voranbringen und damit einen Beitrag zu klima­neutralen Lösungen für die Strom- und Energieversorgung leisten.

HZB / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Werner et al.: Spectromicroscopy of nanoscale materials in the tender X-ray regime enabled by a high efficient multilayer-based grating monochromator, Small Methods, online 29. November 2022; DOI: 10.1002/smtd.202201382
• X-Ray Microscopy (G. Schneider), Helmholtz-Zentrum Berlin