Beamline ENERGIZE

Neue Forschungsinfrastruktur für hybride Materialien und energieeffiziente Technologien

Was macht man mit der neuen Beamline?

Die Beamline stellt das Licht (von Vakuum-Ultravioletten bis zur weichen Röntgenstrahlung) zur Verfügung, das zur Durchführung von Photoelektronen- und Röntgenabsorptionsspektroskopie in der angeschlossenen Endstation genutzt wird.

Was ist daran neu?

Die Lichtintensität auf der zu untersuchenden Probe kann über viele Größenordnungen so variiert werden, dass sogar Isolatorschichten untersucht werden können, was kaum an einem anderen Synchrotron derzeit möglich ist.

Was ist das Ziel?

Mit hilfe von ENERGIZE wird die Zusammensetzung und elektronische Struktur von modernen Energiematerialien aufgeklärt, was wichtige Erkenntnisse zur Verwendung dieser Materialien in neuartigen Bauelementen (z. B. in neuen Leuchtdioden, Solarzellen, Transistoren) mit extrem hoher Energieeffizienz liefert.

Schematische Darstellung Beamline

Schematische Darstellung der Beamline

Das Ziel des Projekts ENERGIZE

Das Ziel des Projekts ENERGIZE am Helmholtz-Zentrum Berlin ist es, im Rahmen einer Kooperation mit dem Integrative Research Institute for the Sciences (IRIS) Adlershof der Humboldt-Universität zu Berlin die Forschung an modernen Materialien für die Elektronik und Optoelektronik mit einer dafür maßgeschneiderten Anlage voranzutreiben. Dabei sind besonders solche Materialien im Fokus, die künftige energieeffiziente Technologien ermöglichen.

Das extrem brillante Röntgenlicht am Synchrotron BESSY II liefert zu diesem Zweck die notwendigen Grundvoraussetzungen. Sie ermöglicht zusammen mit der ENERGIZE-Beamline und der für elektronische Materialien optimierten Endstation Wissenschaftlern den besten Zugang zum Verständnis der elektronischen Eigenschaften komplexer Materialklassen und –systeme mittels Photoemissionsspektroskopie. BESSY II bietet hier besonders im vakuum-ultravioletten Spektralbereich und im Bereich weicher weichen Röntgenstrahlung höchste Qualität.

Federführend wird ENERGIZE von der gemeinsamen Forschergruppe "Molekulare Systeme" des Bereichs Erneuerbare Energien des HZB betreut. Die wissenschaftlichen Themenfelder, die Nutzer an ENERGIZE bearbeiten können, reichen weit:

1. von grundlegender Forschung zur elektronischen Struktur neuer Materialien, wie beispielsweise Perowskiten und 2D Halbleitern.

2. Außerdem über die Optimierung von Grenzflächen in Leuchtdioden, Solarzellen und photoelektrochemischen Elementen zur Erzeugung speicherbare Brennstoffe.

3. Und bis hin zu an Luft gedruckten opto-elektronischen Bauelementen.

Projektleiter Prof. Norbert Koch (HZB & HU) sieht dazu enormes Potenzial durch die neue ENERGIZE Forschungsinfrastruktur:

Durch das strategisch angelegte Projekt ENERGIZE mit einem Investitionsvolumen von über 1,2 Millionen EUR wird einerseits die Spitzenforschung am Standort Berlin gestärkt und andererseits eine breite internationale Nutzerschaft angezogen. Dadurch erhalten das HZB und die kooperierenden Institutionen auch stets höchstaktuelle Forschungsimpulse.“

Beamline

Herzstück der neuen Beamline ist ein Dipol-PGM (plane-grating Monochromator), welcher optimale Messungen im Energiebereich von 20 eV bis 1500 eV ermöglicht (vgl. Bild 1). Dieser Energiebereich ist besonders für Photoelektronen-Spektroskopie im VUV Bereich (UPS) und Röntgenbereich (XPS), sowie für Röntgen-Absorptionsspektrokopie (XAS) geeignet. Zusätzlich ermöglicht ein spezieller Aufbau Untersuchungen an strahlungsempfindlichen Proben durch eine optionale Anpassung der Probenstromdichte auf unter 5 pA/cm².

Endstation

Die ENERGIZE Endstation ist für einen breiten Nutzerbetrieb optimiert, so dass sie den daraus resultierenden mannigfaltigen Anforderungen gerecht wird. Sie bietet die Möglichkeit ex situ präparierte Proben mit verschiedenen spektroskopischen Messmethoden um Ultrahochvakuum zu untersuchen (UPS, XPS, ARPES, XAS).

Zusätzlich sind verschiedene Möglichkeiten zur in situ Probenpräparation vorgesehen. Sie beinhaltet u.a. eine Ionenstrahlreinigung, Probenheizung und Deposition (Verdampfen/Sublimieren) von organischen und anorganischen Materialien (vgl. Bild 2).

Vereinfachte schematische Darstellung der ENERGIZE Endstation

Bild 2 (© ScientaOmicron): Vereinfachte schematische Darstellung der ENERGIZE Endstation A) Analysekammer, B) Obere Präparationskammer C) Handling Kammer D&E) Verdampfer F) Schleuse G) Probenarsenal H) Sicherungssystem I) Hemisphärischer Elektronenanalysator.