Neue Elektronenquelle zur Materialbestimmung

Jülicher Physikern ist es gelungen, die Bestimmung von Material­eigen­schaften schneller und effizienter zu machen. Sie ent­wickel­ten eine spezielle Elektronen­quelle, die die Ver­messung von Material­oberflächen stark ver­ein­facht und die Dauer einer Messung von Tagen auf Minuten verkürzt.

Wie lassen sich Solar­zellen effizienter machen? Wie lässt sich Sonnen- und Winden­ergie am besten für den späteren Bedarf speichern? Techno­logien für die Energie­wende benötigen maßgeschneiderte Materialien, die sowohl preiswert als auch effizient sind. Ein wichtiges Werkzeug für die Suche nach diesen Materialien ist die hochauflösende Elektronen-Energie­verlust-Spektro­skopie, oder kurz HREELS. Bei dieser Methode wird der zu unter­suchende Werk­stoff mit einem Strahl von Elekt­ronen beschossen. Die Elekt­ronen prallen von der Ober­fläche des Materials ab und verlieren dabei einen Teil ihrer Energie. Dieser Energie­verlust kann gemessen werden – und erlaubt damit Rückschlüsse auf die Eigen­schaften des Materials, wie etwa seine Fähig­keit, Strom oder Wärme zu leiten.

HREELS-Messungen können allerdings sehr zeitaufwändig sein. „Der wirklich interessante Teil des Energie­verlusts der Elektronen ist winkelabhängig“, erklärt Dr. François Bocquet vom Jülicher Peter Grünberg Institut. „Deshalb muss er aus ver­schie­denen Rich­tun­gen gemessen werden. Bisher war es nur möglich, einen Energie­verlust für einen Winkel auf einmal zu messen. Die Messungen für eine einzelne Probe konnten einen ganzen Tag in Anspruch nehmen, unter Umständen sogar länger.“

Nun haben François Bocquet und seine Kollegen eine Methode entwickelt, mit der eine Probe innerhalb von Minuten vermessen werden kann. Zwei zusätzliche Komponenten an ihrem HREELS-Instrument vereinfachen ihre Messungen. „Die erste ist ein halbkugel-förmiger Elektronen-Analysator, der bereits seit zehn Jahren erfolgreich in winkel­auflösender Photoelektron-Spektro­skopie verwendet wird“, erklärt Bocquet. „Die zweite ist eine modifizierte Elektronen­quelle, angepasst an den Elektronen-Analysator, die hier bei uns am Institut entwickelt wurde.“ Diese wird mit einer eigens dafür entwickelten Software optimiert. Sie sorgt dafür, dass die Elek­tronen im Strahl die gewünschte kinetische Energie haben und auf einen sehr kleinen Bereich der Probe fokussiert werden. Dadurch kann der Ana­lysator optimal genutzt werden – und ermöglicht eine gleich­zeitige Messung von Energie­verlusten aus verschiedenen Winkeln.

„Diese Neuerungen erlauben es uns, nun auch Proben zu untersuchen, die für die bis­herigen Methoden zu instabil oder zu empfindlich waren“, erklärt François Bocquet, dessen Forschung auch von dem Impuls- und Vernetzungs­fonds der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert wird. Die Wissen­schaftler arbeiten üblicher­weise unter Vakuum­bedingungen, damit die unter­suchten Ober­flächen nicht kontaminiert werden. „Da jedoch kein Vakuum jemals perfekt ist, mussten wir die Messungen gewöhnlich nach wenigen Stunden stoppen, und die Probe neu vorbereiten. Das ist nun mit der schnelleren Methode nicht mehr nötig“, freut sich Bocquet.

FZ Jülich / LK