BESSY II+ Upgrade

Mit ELISA (Enhanced Liquid Interface Spectroscopy and Analysis) geht in naher Zukunft eine neue Forschungsinfrastruktur zur Untersuchung von Gas/Flüssigkeit und und Festkörper/Flüssigkeit-Grenzflächen an zwei Dipolstrahlrohren in Betrieb. Die Untersuchung von Flüssigkeitsgrenzflächen unter operando-Bedingungen wird das Verständnis z. B. der CO2-Speicherung in den Ozeanen und der Aufnahme und Freisetzung von Spurengasen durch Aerosoltröpfchen verbessern und damit genauere Klimamodelle ermöglichen.

Einzigartig: An der Kombination von Röntgen- und IR-Strahlung, die gleichzeitig auf denselben Punkt auf der Probe treffen, besteht großes Interesse, dies wurde aber bisher noch nirgendwo auf der Welt realisiert. Die ELISA-Beamline wird die erste ihrer Art und ein echtes „Alleinstellungsmerkmal“ für BESSY II und das HZB sein.

Partner: FHI, TU Darmstadt, HZB

SoTeXS (Soft-to-Tender X-Ray Spectroscopy) wird das HZB-Portfolio für die Batterieforschung ergänzen und erweitern, das derzeit bereits 12 Beamlines und 10 verschiedene Messmethoden umfasst. Sowohl die Energiespeicherung als auch die Nachhaltigkeit in Mobilität und Verkehr erfordern neuartige Batteriekonzepte. Der Einsatz von im Überfluß vorhandenen, umweltfreundlichen Rohstoffen, sowie detaillierte Einblicke in die Funktionsweise elektrochemischer Zellen und das Verständnis von Degradationsprozessen führen zu neuen, nachhaltigen und effizienteren Materialien für die Energiespeicherung (im Einklang mit der Batterie 2030+ Roadmap „Nachhaltige Batterien der Zukunft“). Insbesondere die Kombination aus weicher und "mittelharter" Röntgenstrahlung (hier: 0,5 - 5 keV) ist eine hervorragende Möglichkeit, fast alle für Batterieanwendungen relevanten Elemente und ihr „Verhalten“ in Batterien im Betrieb zu untersuchen.
Einzigartig: SoTeXS wird zusammen mit der PTB für metrologische Untersuchungen konzipiert und ist damit für die industrielle Forschung hoch attraktiv. Es vervollständigt das Batterieforschungs-Portfolio, das zusammen mit PTB und BAM zu einem Batterie-Hub konsolidiert werden soll, um IR-Spektroskopie, Röntgenemission und -absorption (UPS, XPS, HAXPES, NEXAFS, EXAFS), resonante inelastische Streuung (RIXS), Klein- und Weitwinkelstreuung (SAXS, ASAXS, WAXS), Bildgebung und Tomographie.
Partner: HZB, PTB

Viele neue Instrumente bieten ein breites Spektrum an spektroskopischen Methoden unter Umgebungsbedingungen. Der wichtige Aspekt der Site-Heterogenität, von katalytisch aktiven Verunreinigungen oder der Defekte an der Oberfläche fehlt jedoch häufig in integralen Ansätzen. Ein NAP-LEEM/XPEEM-Instrument bei Umgebungsdruck würde das Portfolio der Operando-Instrumente bei BESSY II abrunden. Im Rahmen der CatLab-Aktivitäten hat die MPG ein NAP-LEEM/XPEEM-Instrument angeschafft, das Elektronenmikroskopie mit einer lateralen Auflösung zwischen 8 und 30 nm mit Photoemissionsspektroskopie (< 60 meV Energieauflösung) als operando-Werkzeug kombiniert und sich auf Oberflächenreaktionen im mbar-Bereich bei Temperaturen bis 800°C konzentriert.
Einzigartig: Die Kombination dieser Apparatur mit einer abstimmbaren weichen Röntgenquelle würde ein weltweit einzigartiges Instrument schaffen. Die Position neben SMART und SPEEM würde komplementäre Spektromikroskopie-Analysemethoden für Magnetismus (SPEEM), hochauflösende Untersuchungen von chemisch relevanten Oberflächen (SMART) und operando NAP-Reaktionen zusammenfassen.
Partner: HZB, FHI

ioARPES baut auf den Stärken von BESSY II bei der winkelaufgelösten Photoemission zur Bestimmung von elektronischen Bandstrukturen auf und bietet höchste Energie- und Winkelauflösung (Impuls) und verbesserte räumliche Auflösung. Beim künftigen Übergang von der transistorbasierten Elektronik zu Technologien auf der Basis von Quantenmaterialien ist das Verständnis der elektronischen Bandstrukturen und ihrer Abstimmbarkeit durch externe Stimuli wie elektrischen Strom, Vorspannung, elektrische Felder, Temperatur oder Dehnung von entscheidender Bedeutung. Obwohl ioARPES keine räumliche Rekordauflösung anstrebt, liegt seine Stärke in Operando-Experimenten.
Einzigartig: Die vielseitige Anwendung von elektrischen Feldern, Vorspannungen und mechanischen Belastungen bei niedrigen Temperaturen im Labor auf einem Chip ist der Hauptzweck des Instruments.
Partner: HZB, RHTW Aachen, TU Dresden, IFW, FUB

Studien zur ultraschnellen Nichtgleichgewichtsdynamik zielen darauf ab, Materialeigenschaften nahe der ultimativen Geschwindigkeits- und Effizienzgrenze zu steuern und neue Konzepte für schnellere und effizientere Geräte zu entwickeln. Insbesondere für die ultraschnelle Spindynamik ist die derzeitige BESSY II Femtoslicing-Beamline ein weltweit einzigartiges Forschungsinstrument, wenn auch mit einer eher geringen Energieauflösung. Jüngste experimentelle und theoretische Arbeiten zeigen, dass eine höhere Energieauflösung höchst wünschenswert ist, um nicht nur Spin, sondern auch elektronische Anregungen zu verfolgen und räumliche Inhomogenität zu erforschen; beides scheint eine entscheidende, aber bisher weitgehend unerforschte Rolle in der magnetischen Dynamik zu spielen. Femto- SpeX-HR zielt darauf ab, diese Studien zu ermöglichen.
Einzigartig: Die Femtoslicing-Anlage ist für die Untersuchung von Magnetisierungsdynamiken mittels weicher Röntgenstrahlung optimiert. Da die Zeitstruktur der konkurrierenden Freie-Elektronen-Lasern (FELs) nicht gut angepasst ist, ist die Qualität der Magnetisierungsdynamik-Daten von FELs nicht besser als die vom Femtoslicing. FemtoSpeX-HR profitiert in einzigartiger Weise von der optimierten Forschungsumgebung für Experimente zur Spin- und Elektronendynamik, die an BESSY II entwickelt wurde. Laserbasierte Quellen für den VUV-Bereich sind eine weitere konkurrierende Methode, bieten aber nicht die erforderliche spektroskopische Empfindlichkeit; weiche Röntgenpulse sind die Sonde der Wahl.
Partner: HZB, HU Berlin

Die Presto (operando PV Station) baut auf der weltweit führenden Rolle des HZB in der PV-Forschung auf und ist als modulare Endstation für Spektroskopie- und Beugungsexperimente an modernen und in der Entwicklung befindlichen PV-Materialien und deren Grenzflächen bis hin zu kompletten Solarzellen konzipiert. Forschungsschwerpunkte sind die Identifizierung von Bulk- und Grenzflächendefekten sowie die Quantifizierung ihrer Dichte, Energieniveaus, Bildungsenergie und ihres Passivierungsverhaltens. Presto zielt darauf ab, ein umfassendes Verständnis der kritischen Parameter in PV-Bauelementen zu erlangen, so dass deren Leistungsumwandlungseffizienz, Stabilität, Skalierbarkeit und Herstellbarkeit verbessert werden können. Die multimodalen Untersuchungen unter Betriebsbedingungen, d. h. Lichteinstrahlung (einige Sonnenstunden), elektrischer Vorspannung und Alterungsbedingungen (erhöhte Temperatur, Feuchtigkeit, Oxidationsmittel), heben die PV-Forschung auf ein neues Niveau. Es wird die Operando- und In-situ-Fähigkeiten von BESSY II in den Bereichen (HAX)PES, XAS, XRF, IPES, UPS, CFSYS, SPV und XRD-Studien erheblich erweitern.

Einzigartig: Während die einzelnen Methoden in zahlreichen Großlaboratorien zur Verfügung stehen, sind die experimentellen Möglichkeiten von Presto ganzheitlich und weltweit beispiellos. Die In-situ- und Operando-Kapazitäten in Verbindung mit der Probenumgebung und der diagnostischen Probenintegritätskontrolle schließen die Lücken zwischen den derzeitigen Forschungsansätzen in diesem Bereich.

Partner: HZB, HU Berlin

Die TES-Detektion ermöglicht bei den leistungsstarken Instrumenten für Weichröntgenspektroskopie (XAS, XES, RIXS) zusätzlich weltweit führend die Charakterisierung von Verunreinigungen und Systemen mit niedriger Konzentration. Der wissenschaftliche Schwerpunkt liegt dabei auf katalytisch aktiven Stellen, Keimbildungsprozessen sowie Materialverunreinigungen und Dotierungsgraden. Das Prinzip des supraleitenden Bolometers ermöglicht eine energieaufgelöste Einzelphotonen-Detektion. Dies führt zu einer unübertroffenen Performanz bei der Untersuchung von angeregten Molekülen, aktiven Stellen, katalytischen dünnen Filmen und Nanostrukturen, aber auch von Eigenschaften wie Spin-Flip-Streuungsprozessen in niedrigdimensionalen und verdünnten Systemen. Das MPI-CEC als Partner bildet eine Brücke zum CatLab: Die Charakterisierungsmöglichkeiten eines TES  auf höchstem Niveau und an einer Hochfluss-Beamline mit voller Polarisationskontrolle sind ein echter Gewinn für die Entwicklung neuartiger Katalysatorsysteme.
Einzigartig: Die Untersuchung von Systemen mit kleinsten Materialmengen in Festkörpern und Flüssigkeiten mittels XAS, XES und RIXS bei voller Polarisationskontrolle wird bei BESSY II einzigartig sein.
Partner: MPI-CEC, HZB

Nicht erst die Corona-Pandemie hat die Bedeutung der Proteinkristallographie für die medizinische Forschung gezeigt. Mit mehr als 2500 Strukturen in der Protein Data Bank ist BL14.1 eine der produktivsten Stationen in Europa. Angesichts dieses Erfolges ist ein höherer Durchsatz (etwa 500 Kristalle in 24 Stunden) durch eine deutliche Erhöhung des Strahlenflusses (x25) wünschenswert und wird durch einem neuen Doppel-Multilayer-Monochromator auch erreichbar. Neben der Erhöhung des Photonenflusses wird durch weitere Automatisierungsanstrengungen und die Verarbeitung von Metadaten eine vollautomatische (unbeaufsichtigte) Datenerfassung vorangetrieben.
Einzigartig: BL14.1ex eröffnet Wege zu neuen kristallographischen Methoden, wie der synchrotronbasierten seriellen Kristallographie (SSX), die für eine zukünftige BESSY III MX-Beamline von größter Bedeutung sein wird.
Partner: HZB