Neu am Campus Wannsee: CoreLab Quantenmaterialien
In diesem optischen Zonenschmelzofen enstehen große Einkristalle. © M. Setzpfandt/HZB
Eine Laue-Apparatur ermöglicht es, die Kristalle präzise auszurichten. © M. Setzpfandt/HZB
Die Messung von spezifischer Wärme und anderen Eigenschaften gibt Hinweise auf Phasenübergänge in der Probe. © M. Setzpfandt/HZB
Das Helmholtz-Zentrum Berlin erweitert sein Angebot an CoreLabs für die Forschung an Energiematerialien. Zusätzlich zu den fünf bereits etablierten CoreLabs wurde nun ein CoreLab für Quantenmaterialien eingerichtet. Ein Forscherteam vom HZB-Institut für Quantenphänomene in neuen Materialien betreut das CoreLab mit dem modernen Gerätepark. Das CoreLab steht auch Messgästen aus anderen Forschungseinrichtungen offen.
Quantenphänomene treten in der Regel am deutlichsten in perfekten Einkristallen und bei tiefen Temperaturen auf. Um solche Einkristalle herzustellen, mit Laborexperimenten zu vermessen oder für Messungen an der Neutronenquelle BER II oder bei BESSY II vorzubereiten, hat ein Team um Prof. Dr. Bella Lake und Dr. Konrad Siemensmeyer ein eigenes CoreLab für Quantenmaterialien aufgebaut. Auch externe Forscherinnen und Forscher können dieses CoreLab nutzen und dabei von der Expertise des HZB-Teams profitieren.
Zucht und Vorbereitung von Einkristallen
Denn häufig liegen die Materialien nicht als große Einkristalle vor, sondern müssen erst als Pulver in winzigen Mikrokristallen hergestellt werden. Schon diese Synthese ist oft schwierig und ist deshalb ein zentrales Thema in diesem HZB-CoreLab. Aus diesen Pulverproben lassen sich dann mit einem leistungsstarken optischen Zonenschmelzofen größere Einkristalle ziehen, die deutlich aussagekräftigere Messungen erlauben. Die Zucht von Einkristallen aus Pulverproben erfordert viel Erfahrung, die am HZB vorhanden ist. Eine Laue-Apparatur ermöglicht es, diese Kristalle präzise auszurichten. Im Anschluss lassen sich die Kristalle dann für weitere Experimente mit einer Fadensäge orientiert schneiden oder ihre Flächen polieren. Die Methoden sind sehr flexibel und für alle möglichen Messungen einsetzbar. Proben für Neutronenexperimente, Experimente an BESSY II oder Laborexperimente sind hier leicht herzustellen. Weniger erfahrene Nutzer werden eng betreut, damit auch dort der Erfolg sichergestellt werden kann.
Transporteigenschaften und Phasenübergänge
In einem weiteren Raum stehen hohe magnetische Felder, tiefe Temperaturen mit zwei „Physical Property Measurement Systems“ sowie ein empfindliches SQUID-Magnetometer bereit. Damit lassen sich Transporteigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit, aber auch die Magnetisierung und spezifische Wärme von Materialien messen. Die Messung dieser Eigenschaften macht so genannte Phasenübergänge sichtbar. Diese Phasenübergänge hängen mit quantenphysikalischen Gesetzmäßigkeiten zusammen und zeigen an, dass sich im Innern der Materialien neue Ordnungen etablieren.
CoreLabs für Nutzer aus Forschung und Industrie
Als Betreiber von Großgeräten hat das HZB große Erfahrung mit der Organisation eines externen Nutzerbetriebs. Diese Erfahrung bringt das HZB nun auch in den Betrieb der CoreLabs ein, die mit modernsten, teilweise einzigartigen Instrumenten und Geräten für die Analyse und Synthese von Energiematerialien ausgestattet sind. Auch internationale Messgäste und Partner aus der Industrie sind hier willkommen.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.