Eine klimaneutrale Energieversorgung erfordert verschiedenste Materialien für Energieumwandlungsprozesse, zum Beispiel katalytisch aktive Materialien und neue Elektroden für Batterien. Viele dieser Materialien haben Nanostrukturen, die ihre Funktionalität erhöhen. Bei der Untersuchung dieser Proben werden spektroskopische Messungen zum Nachweis der chemischen Eigenschaften idealerweise mit Röntgenbildgebung mit hoher räumlicher Auflösung im Nanobereich kombiniert.
Da jedoch Schlüsselelemente in diesen Materialien wie Molybdän, Silizium oder Schwefel überwiegend im sogenannten zarten Photonenenergiebereich auf Röntgenstrahlung reagieren, gab es bisher ein großes Problem.
Denn in diesem „zarten“ Energiebereich zwischen weicher und harter Röntgenstrahlung liefern herkömmliche Röntgenoptiken aus Plangitter oder Kristallmonochromatoren nur sehr geringe Wirkungsgrade. Ein Team des HZB hat dieses Problem nun gelöst: „Wir haben neuartige Monochromator-Optiken entwickelt. Diese Optiken basieren auf einem angepassten, mehrschichtbeschichteten Sägezahngitter mit Planspiegel“, sagt Frank Siewert von der HZB-Abteilung Optik und Beamlines.
Das neue Monochromator-Konzept steigert den Photonenfluss im zarten Röntgenbereich um den Faktor 100 und ermöglicht damit erstmals hochempfindliche spektroskopische Messungen mit hohen Auflösungen.
„Innerhalb kurzer Zeit konnten wir Daten aus der NEXAFS-Spektromikroskopie auf der Nanoskala sammeln. Dies haben wir an katalytisch aktiven Nanopartikeln und modernen Mikrochipstrukturen demonstriert“, sagt Stephan Werner, Erstautor der Veröffentlichung. „Die Neuentwicklung ermöglicht nun Experimente, für die sonst monatelange Datenerhebungen erforderlich gewesen wären“, betont Werner.
„Dieser Monochromator wird nicht nur an Synchrotronen weltweit, sondern auch an Freie-Elektronen-Lasern und Laborquellen zur Methode der Wahl für die Bildgebung in diesem Röntgenenergiebereich“, sagt Gerd Schneider, Leiter der Abteilung Röntgenmikroskopie am HZB. Er erwartet enorme Auswirkungen auf viele Bereiche der Materialforschung: Studien im ausgeschriebenen Röntgenbereich könnten die Entwicklung von Energiematerialien entscheidend voranbringen und so zu klimaneutralen Lösungen für die Strom- und Energieversorgung beitragen.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Kleine Methoden.
Mehr Informationen:
Stephan Werner et al, Spectromicroscopy of Nanoscale Materials in the Tender X‐Ray Regime Enabled by a High Efficient Multilayer‐Based Grating Monochromator, Kleine Methoden (2022). DOI: 10.1002/smtd.202201382