HZB Newsroom
- Einfachere Herstellung von anorganischen Perowskit-Solarzellen bringt VorteileAnorganische Perowskit-Solarzellen aus CsPbI3 sind langzeitstabil und erreichen gute Wirkungsgrade. Ein Team um Prof. Antonio Abate hat nun an BESSY II Oberflächen und Grenzflächen von CsPbI3 -Schichten analysiert, die unter unterschiedlichen Bedingungen produziert wurden. Die Ergebnisse belegen, dass das Ausglühen in Umgebungsluft die optoelektronischen Eigenschaften des Halbleiterfilms nicht negativ beeinflusst, sondern sogar zu weniger Defekten führt. Dies könnte die Massenanfertigung von anorganischen Perowskit-Solarzellen weiter vereinfachen.
- Spintronik: Ein neuer Weg zu wirbelnden Spin-Texturen bei RaumtemperaturEin Team am HZB hat an BESSY II eine neue, einfache Methode untersucht, mit der sich stabile radiale magnetische Wirbel in magnetischen Dünnschichten erzeugen lassen.
- BESSY II: Wie das gepulste Laden die Lebensdauer von Batterien verlängertEin verbessertes Ladeprotokoll könnte die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien deutlich verlängern. Das Laden mit hochfrequentem gepulstem Strom verringert Alterungseffekte. Dies zeigte ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm (HZB und Humboldt-Universität) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin und der Aalborg University in Dänemark. Besonders aufschlussreich waren Experimente an der Röntgenquelle BESSY II.
- Brennstoffzellen: Oxidationsprozesse von Phosphorsäure aufgeklärtDie Wechselwirkungen zwischen Phosporsäure und dem Platin-Katalysator in Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen sind komplexer als bisher angenommen. Röntgen-Experimente an BESSY II in einem mittleren Energiebereich (tender x-rays) haben die vielfältigen Oxidationsprozesse an der Platin-Elektrolyt-Grenzfläche entschlüsselt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle diese Prozesse beeinflusst, so dass sich hier Möglichkeiten bieten, um Lebensdauer und Wirkungsgrad von Brennstoffzellen zu erhöhen.
- Befruchtung unter dem RöntgenstrahlNachdem die Eizelle von einem Spermium befruchtet wurde, zieht sich die Eihülle zusammen und schützt den Embryo, indem sie mechanisch das Eindringen weiterer Spermien verhindert. Diesen neuen Einblick hat nun ein Team des Karolinska Instituts u.a. durch Messungen an den Röntgenlichtquellen BESSY II, DLS und ESRF gewonnen.
- Neutronenexperiment am BER II deckt neue Spin-Phase in Quantenmaterial aufIn quantenmagnetischen Materialien unter Magnetfeldern können neue Ordnungszustände entstehen. Nun hat ein internationales Team aus Experimenten an der Berliner Neutronenquelle BER II und am dort aufgebauten Hochfeldmagneten neue Einblicke in diese besonderen Materiezustände gewonnen. Der BER II wurde bis Ende 2019 intensiv für die Forschung genutzt und ist seitdem abgeschaltet. Noch immer werden neue Ergebnisse aus Messdaten am BER II publiziert.
- Wo Quantencomputer wirklich punkten könnenDas Problem des Handlungsreisenden gilt als Paradebeispiel für kombinatorische Optimierungsprobleme. Nun zeigt ein Berliner Team um den theoretischen Physiker Prof. Dr. Jens Eisert der Freien Universität Berlin, dass eine bestimmte Klasse solcher Probleme tatsächlich durch Quantencomputer besser und sehr viel schneller gelöst werden kann als mit konventionellen Methoden.
- Unkonventionelle Piezoelektrizität in ferroelektrischem HafniumHafniumoxid-Dünnschichten sind eine faszinierende Klasse von Materialien mit robusten ferroelektrischen Eigenschaften im Nanometerbereich. Während das ferroelektrische Verhalten ausgiebig untersucht wurde, blieben die Ergebnisse zu den piezoelektrischen Effekten bisher rätselhaft. Eine neue Studie zeigt nun, dass die Piezoelektrizität in ferroelektrischen Hf0,5Zr0,5O2-Dünnschichten durch zyklische elektrische Felder dynamisch verändert werden kann. Ein weiteres bahnbrechendes Ergebnis ist die Möglichkeit einer intrinsischen nicht-piezoelektrischen ferroelektrischen Verbindung. Diese unkonventionellen Eigenschaften von Hafnia bieten neue Optionen für den Einsatz in der Mikroelektronik und Informationstechnologie.
- 14 Parameter auf einen Streich: Neues Instrument für die OptoelektronikEin HZB-Physiker hat eine neue Methode entwickelt, um Halbleiter durch einen einzigen Messprozess umfassend zu charakterisieren. Der „Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)“ basiert auf dem Hall-Effekt und ermöglicht es, 14 verschiedene Parameter von negativen wie positiven Ladungsträgern zu erfassen. An zwölf unterschiedlichen Halbleitermaterialien demonstrierte nun ein großes Team die Tauglichkeit dieser neuen Methode, die sehr viel Arbeit spart.
- Natrium-Ionen-Akkus: wie Doping die Kathoden verbessertNatrium-Ionen-Akkus haben noch eine Reihe von Schwachstellen, die durch die Optimierung von Batteriematerialien behoben werden könnten. Eine Option ist die Dotierung des Kathodenmaterials mit Fremdelementen. Ein Team von HZB und Humboldt-Universität zu Berlin hat nun die Auswirkung von einer Dotierung mit Scandium und Magnesium untersucht. Um ein vollständiges Bild zu erhalten, hatten die Forscher*innen Messdaten an den Röntgenquellen BESSY II, PETRA III und SOLARIS gesammelt und ausgewertet. Sie entdeckten dadurch zwei konkurrierende Mechanismen, die über die Stabilität der Kathoden entscheiden.
- BESSY II: Was Molekül-Orbitale über die Stabilität aussagenFumarat, Maleat und Succinat sind organische Moleküle, die in der Koordinationschemie und teilweise auch in der Biochemie der Körperzellen eine Rolle spielen. Ein HZB-Team hat diese Moleküle nun an BESSY II mit Hilfe von RIXS und DFT-Simulationen analysiert. Die Ergebnisse geben nicht nur Aufschluss über die elektronischen Strukturen, sondern auch über die relative Stabilität dieser Moleküle. Dies könnte auch der Industrie dabei helfen, die Stabilität von Koordinationspolymeren zu optimieren.
- BESSY II: Lokale Variationen in der Struktur von hochentropischen-LegierungenHochentropie-Legierungen halten extremer Hitze und Belastung stand und eignen sich daher für eine Vielzahl spezifischer Anwendungen. Einblicke in Ordnungsprozesse und Diffusionsphänomene in diesen Materialien hat nun eine neue Studie an der Röntgenquelle BESSY II geliefert. An der Studie waren Teams des HZB, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, der Universität Lettland und der Universität Münster beteiligt.
- Höhere Messgenauigkeit öffnet neues Fenster in die QuantenweltEin Team am HZB hat ein neues Messverfahren entwickelt, um winzigste Temperaturdifferenzen im Bereich von 100 Mikrokelvin beim thermischen Hall-Effekt erstmals genau zu erfassen. Aufgrund von thermischem Rauschen konnten solche Temperaturunterschiede bislang nicht quantitativ vermessen werden. Am Beispiel von Terbiumtitanat, dessen Eigenschaften gut bekannt sind, zeigte das Team, dass die Messmethode höchst verlässliche Ergebnisse liefert. Der thermische Hall-Effekt gibt Auskunft über kohärente Vielteilchenzustände in Quantenmaterialien und nutzt dazu ihre Wechselwirkung mit Gitterschwingungen (Phononen).
- Fokussierte Ionenstrahlen: Ein Werkzeug für viele ZweckeMaterialien auf der Nanoskala bearbeiten, Prototypen für die Mikroelektronik fertigen oder biologische Proben analysieren: Die Bandbreite für den Einsatz von fein fokussierten Ionenstrahlen ist riesig. Einen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten und eine Roadmap für die Zukunft haben Expert*innen aus der EU-Kooperation FIT4NANO nun gemeinsam erarbeitet. Der Beitrag ist in Applied Physics Review publiziert und richtet sich an Studierende, Anwender*innen aus Industrie und Wissenschaft sowie die Forschungspolitik.
- Grüner Wasserstoff: Perowskit-Oxid-Katalysatoren im RöntgenstrahlFür die Herstellung von Grünem Wasserstoff sind Katalysatoren nötig, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität beeinflusst. Ein Forschungsteam aus den Universitäten in Duisburg-Essen und Twente hat u.a. an BESSY II untersucht, wie die Umwandlung von Oberflächen in Perowskit-Oxid-Katalysatoren die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert.
- Grüner Wasserstoff: Iridium-Katalysatoren mit Titanoxiden verbessernAnoden für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser bestehen meist aus Iridium-basierten Materialien. Um die Stabilität des Iridium-Katalysators zu erhöhen, hat nun ein Team am HZB mit einer Gruppe des HI-ERN eine Probe hergestellt, in der die Konzentration von Iridium und Titanoxiden systematisch variiert. Analysen der einzelnen Probensegmente an BESSY II im EMIL-Labor zeigten, dass sich die Stabilität des Iridium-Katalysators signifikant steigern lässt.
- Mehr Schwung beim PET-Recycling durch höhere Standards für LaborexperimenteViele Enzyme versprechen, Kunststoff abzubauen. Doch was im Laborexperiment funktioniert, versagt dann oft doch im großen Maßstab. Nun hat der Biochemiker Gert Weber, HZB, gemeinsam mit Uwe Bornscheuer, Uni Greifswald, und dem Chief Scientific Officer Alain Marty von Carbios eine Studie publiziert. Sie zeigt am Beispiel von vier Enzymen, welche Standards Laborexperimente erfüllen sollten, damit Ergebnisse besser vergleichbar sind und erfolgsversprechende Ansätze rascher identifiziert werden können.
- Mikroplastik im Ackerboden: Tomographie zeigt, wo sich die Partikel einlagernEin Team von Forschenden der Universität Potsdam und des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat ein Messverfahren entwickelt, um Bodenproben mit Neutronen und Röntgenlicht zu analysieren und daraus 3D-Tomographien zu erstellen: Dies ermöglicht es erstmals, Mikroplastik im Boden genau zu lokalisieren. Die 3D-Tomographien zeigen, wo sich die Partikel im Boden einlagern und wie sich dadurch Strukturen im Boden verändern – was sich wiederum auf Wasserflüsse und Bodeneigenschaften auswirken kann.
- Elektronische Inhomogenität in MoS₂-Schichten lässt sich glättenMolybdändisulfid (MoS₂) kann z. B. als Gassensor oder als Photokatalysator bei der grünen Wasserstoffproduktion eingesetzt werden. Obwohl man in der Regel mit der Untersuchung der kristallinen Grundform beginnt, um ein Material zu verstehen, gibt es für MoS₂ viel mehr Studien zu ein- und mehrlagigen Molekularschichten als zum massiven Material. Die wenigen Studien, die bisher durchgeführt wurden, zeigen unterschiedliche und nicht reproduzierbare Ergebnisse für die elektronischen Eigenschaften von frisch abgespaltenen MoS₂-Oberflächen. Diese Frage hat nun ein Team an BESSY II systematisch untersucht.
- Grüner Wasserstoff: Ko-Produktion von wertvollen Chemikalien steigert die WirtschaftlichkeitDass es funktioniert, ist klar: Schon heute gibt es verschiedene Ansätze, um Solarenergie für die Elektrolyse von Wasser zu nutzen und Wasserstoff zu produzieren. Leider ist dieser grüne Wasserstoff bislang teurer als grauer Wasserstoff aus Erdgas. Doch grüner Wasserstoff hergestellt durch Sonnenlicht kann profitabel werden, zeigt eine Studie aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Technischen Universität Berlin.
- Diamantmaterialien als solarbetriebene Elektroden – Spektroskopie zeigt, worauf es ankommtEs klingt wie Magie: Photoelektroden, die das Treibhausgas CO₂ in Methanol umwandeln oder Stickstoffmoleküle in wertvollen Dünger – und zwar allein mit der Energie des Sonnenlichts. Dass Diamantmaterialien sich dafür eignen, zeigt nun eine Studie aus dem HZB. Durch die Kombination von Röntgen-Spektroskopieverfahren an BESSY II mit weiteren Messmethoden gelang es dem Team um Tristan Petit, erstmals genau zu verfolgen, welche Prozesse an der Oberfläche dieser Materialien durch Licht angeregt werden und worauf es dabei ankommt.
- Röntgentomoskopie: Wie sich beim Gefrierguss komplexe Strukturen bildenMit Gefriergussverfahren lassen sich hochporöse und hierarchisch strukturierte Materialien herstellen, die eine große Oberfläche aufweisen. Sie eignen sich für unterschiedlichste Anwendungen, als Elektroden für Batterien, Katalysatormaterialien oder in der Biomedizin. Nun hat ein Team um Prof. Ulrike G. K. Wegst, Northeastern University, Boston, MA, USA, und Dr. Francisco García Moreno vom Helmholtz-Zentrum Berlin an der Swiss Light Source des Paul-Scherrer-Instituts mit dem neu entwickelten Verfahren der Röntgentomoskopie erstmals in Echtzeit und hoher Auflösung beobachtet, wie der Prozess der Strukturbildung beim Gefriergussverfahren abläuft. Als Modellsystem diente eine Zuckerlösung.
- Quantencomputer: Gewissheit aus dem Zufall ziehenQuantencomputer werden mit zunehmender Größe und Komplexität undurchschaubar. Mit Methoden der mathematischen Physik ist es nun einem Team gelungen, aus zufälligen Datensequenzen konkrete Zahlen abzuleiten, die als Maßstab für die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputersystems dienen können. An der Arbeit mit Quantencomputer, die nun in Nature communications veröffentlicht ist, waren Experten des Helmholtz-Zentrum Berlin, der Freien Universität Berlin, des Qusoft Forschungszentrum Amsterdam, der Universität Kopenhagen sowie des Technology Innovation Institute Abu Dhabi beteiligt.
- Spintronik: Röntgenmikroskopie an BESSY II kann Domänenwände unterscheidenMagnetische Skyrmionen sind winzige Wirbel aus magnetischen Spin-Texturen. Im Prinzip könnten Materialien mit Skyrmionen als spintronische Bauelemente verwendet werden, zum Beispiel als sehr schnelle und energieeffiziente Datenspeicher. Doch im Moment ist es noch schwierig, Skyrmionen bei Raumtemperatur zu kontrollieren und zu manipulieren. Eine neue Studie an BESSY II analysiert nun die Bildung von Skyrmionen in einem besonders interessanten Material in Echtzeit und mit hoher räumlicher Auflösung: Es handelt sich um ferrimagnetische Dünnschichten aus Dysprosium und Kobalt. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, den Skyrmionentyp klar zu bestimmen.
- BESSY II: Oberflächen von Katalysatorpartikeln in wässrigen Lösungen analysiertIn einem Sonderheft zur Liquid-Jet-Methode berichtet ein Team über Reaktionen von Wassermolekülen an den Oberflächen von Metalloxid-Teilchen. Die Ergebnisse sind für die Entwicklung von effizienten Photoelektroden für die Produktion von grünem Wasserstoff relevant.
- Quantitative Analyse von zellulären Organellen mit Künstlicher IntelligenzDie Röntgenmikroskopie (Kryo-SXT) ermöglicht hochaufgelöste Einblicke in das Innere von Zellen und Zellorganellen – und das in drei Dimensionen. Bisher wurden die 3D-Datensätze zeitaufwändig manuell analysiert. Nun hat ein Team der Freien Universität Berlin einen Algorithmus entwickelt, der auf einem „gefalteten“ neuronalen Netz basiert. Mit Expertinnen und Experten aus der Zellbiologie (FU Berlin) und der Röntgenmikroskopie am Helmholtz Zentrum Berlin wurde dieser Algorithmus nun erstmals zur Analyse von Zellbestandteilen in Kryo-SXT-Datensätzen eingesetzt. Mit der KI-basierten Analysemethode konnte innerhalb weniger Minuten Zellorganellen identifiziert und detailstarke, komplexe 3D-Abbildungen produziert werden.
- Solarer Wasserstoff: Hürden für Ladungstransport in MetalloxidenMetalloxide eignen sich theoretisch ideal als Photoelektroden für die direkte Erzeugung von Wasserstoff mit Sonnenlicht. Nun gelang es einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin erstmals, die Transporteigenschaften der Ladungsträger in unterschiedlichen Metalloxiden über einen Zeitbereich von neun Größenordnungen zu ermitteln.
- Rekord-Tandemsolarzelle jetzt mit genauer wissenschaftlicher AnleitungDie weltbesten Tandemsolarzellen aus einer Silizium-Unterzelle und einer Perowskit-Topzelle können heute ca. ein Drittel der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Das sind Rekordwerte, insbesondere für eine potentiell sehr preisgünstige Technologie. Ein Team am HZB liefert nun erstmals die wissenschaftlichen Daten und beschreibt in der renommierten Fachzeitschrift Science, wie diese Entwicklung gelungen ist.
- BESSY II: Was Ionen durch Polymermembranen treibtPhotoelektrolyseure und Elektrolysezellen können grünen Wasserstoff oder fossilfreie Kohlenstoffverbindungen erzeugen – allerdings benötigen sie Ionenaustausch-Membranen. Ein HZB-Team hat nun in einem hybriden Flüssiggas-Elektrolyseur an der Röntgenquelle BESSY II den Transport von Ionen durch die Membran untersucht. Anders als erwartet treiben Konzentrationsunterschiede aber kaum elektrische Felder Ionen an. Die Diffusion ist also der entscheidende Prozess. Diese Erkenntnis könnte bei der Entwicklung hocheffizienter und deutlich umweltfreundlicherer Membranmaterialien helfen.
- BESSY II: Experimenteller Nachweis einer exotischen Quantenphase in Au2PbEin Team am HZB hat die elektronische Struktur von Au2Pb an BESSY II durch winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie über einen weiten Temperaturbereich untersucht: Die Ergebnisse zeigen die elektronische Struktur eines dreidimensionalen topologischen Dirac-Semimetalls und stehen im Einklang mit theoretischen Berechnungen.
- Spintronik an BESSY II: Domänenwände in magnetischen NanodrähtenMagnetische Domänenwände sorgen für elektrischen Widerstand, da es für Elektronenspins schwierig ist, ihrer magnetischen Struktur zu folgen. Dieses Phänomen könnte in spintronischen Bauelementen genutzt werden, bei denen der elektrische Widerstand je nach Vorhandensein oder Fehlen einer Domänenwand variieren kann. Eine besonders interessante Materialklasse sind Halbmetalle wie La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). Sie weisen vollständige Spinpolarisation auf. Allerdings war der Widerstand einer einzelnen Domänenwand in Halbmetallen bisher noch nicht bestimmt worden. Nun hat ein Team aus Spanien, Frankreich und Deutschland eine einzelne Domänenwand auf einem LSMO-Nanodraht erzeugt und Widerstandsänderungen gemessen, die 20mal größer sind als bei normalen Ferromagneten wie Kobalt.
- Fraktonen als Informationsspeicher: Noch nicht greifbar, aber nahEin neues Quasiteilchen mit interessanten Eigenschaften ist aufgetaucht – vorerst allerdings nur in theoretischen Modellierungen von Festkörpern mit bestimmten magnetischen Eigenschaften. Anders als erwartet, bringen Quantenfluktuationen das Quasiteilchen jedoch nicht deutlicher zum Vorschein, sondern verschmieren seine Signatur, zeigt nun ein internationales Team am HZB und der Freien Universität Berlin.
- Graphen auf Titancarbid erzeugt neuartigen PhasenübergangAn der Röntgenquelle BESSY II hat ein Team einen Lifshitz-Übergang in TiC entdeckt, der durch eine Beschichtung mit Graphen hervorgerufen wird. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial von 2D-Materialien wie Graphen und die Auswirkungen, die sie durch Wechselwirkungen im Nahfeld auf benachbarte Materialien haben.
- CO2-Recycling: Welche Rolle spielt der Elektrolyt?Das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid lässt sich durch Elektrolyse zu nützlichen Kohlenwasserstoffen umwandeln. Das Design der Elektrolysezelle ist dabei entscheidend. Für industrielle Prozesse eignet sich vor allem die so genannte Zero-Gap-Zelle. Doch noch gibt es Probleme: Die Kathoden verstopfen schnell. Nun hat ein Team um Dr. Matthew Mayer am HZB untersucht, woran dies liegt und wie sich dieser unerwünschte Prozess verhindern lässt.
- Wieviel Cadmium steckt im Kakao?Kakaobohnen können giftige Schwermetalle wie Cadmium aus dem Boden aufnehmen. Einige Anbaugebiete, insbesondere in Südamerika, sind mit diesen Schwermetallen zum Teil erheblich belastet. Durch das Zusammenspiel verschiedener Röntgenfluoreszenz-Techniken konnte nun ein Team an BESSY II erstmals nichtinvasiv messen, wo sich Cadmium in den Kakaobohnen anreichert: Weniger im Inneren der Bohne, sondern vor allem in der Schale. Weitere Untersuchungen zeigen, dass die Verarbeitung der Kakaobohnen großen Einfluss auf die Schwermetallbelastung haben kann.
- Lithium-Schwefel-Feststoffbatterien: Ladungstransport direkt beobachtetLithium-Schwefel-Feststoffbatterien bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien das Potenzial für eine wesentlich höhere Energiedichte und mehr Sicherheit. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit von Feststoffbatterien derzeit noch unzureichend, was vor allem an sehr langen Ladezeiten liegt - und das, obwohl sie theoretisch eine besonders schnelle Aufladung ermöglichen sollten. Eine neue Studie des HZB zeigt nun, dass die Hauptursache dafür die sehr schleppende Einwanderung von Lithium-Ionen in die Verbundkathode ist.
- Grüner Wasserstoff: Wie photoelektrochemische Zellen wettbewerbsfähig werden könntenMit Sonnenlicht lässt sich grüner Wasserstoff in photoelektrochemischen Zellen (PEC) direkt aus Wasser erzeugen. Bisher waren Systeme, die auf diesem 'direkten Ansatz' basieren, energetisch nicht wettbewerbsfähig. Die Bilanz ändert sich jedoch, sobald ein Teil des Wasserstoffs in PEC-Zellen in-situ für erwünschte Reaktionen genutzt wird. Dadurch lassen sich wertvolle Chemikalien für die chemische und pharmazeutische Industrie produzieren. Die Zeit für die Energie-Rückgewinnung des direkten Ansatztes mit der PEC-Zelle kann damit drastisch verkürzt werden, zeigt eine neue Studie aus dem HZB.
- Perowskitsolarzellen durch Schlitzdüsenbeschichtung – ein Schritt zur industriellen ProduktionSolarzellen aus Metallhalogenid-Perowskiten erreichen hohe Wirkungsgrade und lassen sich mit wenig Energieaufwand aus flüssigen Tinten produzieren. Solche Verfahren untersucht ein Team um Prof. Dr. Eva Unger am Helmholtz-Zentrum Berlin. An der Röntgenquelle BESSY II hat die Gruppe nun gezeigt, wie wichtig die Zusammensetzung von Vorläufertinten für die Erzeugung qualitativ-hochwertiger FAPbI3-Perowskit-Dünnschichten ist. Die mit den besten Tinten hergestellten Solarzellen wurden ein Jahr im Außeneinsatz getestet und auf Minimodulgröße skaliert.
- Super-Energiespeicher: Ladungstransport in MXenen untersuchtMXene können große Mengen elektrischer Energie speichern und lassen sich dabei sehr schnell auf- und entladen. Damit vereinen MXene die Vorteile von Batterien und Superkondensatoren und gelten als spannende neue Materialklasse für die Energiespeicherung: Das Material ist wie eine Art Blätterteig aufgebaut, die MXene-Schichten sind durch dünne Wasserfilme getrennt. Ein Team am HZB hat nun an der Röntgenquelle BESSY II untersucht, wie Protonen in diesen Wasserfilmen wandern und den Ladungstransport ermöglichen. Ihre Ergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und könnten die Optimierung solcher Energiespeichermaterialien beschleunigen.
- Elektrokatalyse unter dem RasterkraftmikroskopEine Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie macht es nun möglich, das Höhenprofil nanometerfeiner Strukturen sowie den elektrischen Strom und die Reibungskraft an fest-flüssig Grenzflächen zeitgleich abzubilden. Damit gelang es einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie am Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft, elektrokatalytisch aktive Materialien zu analysieren und Einblicke zu gewinnen, die für die Katalysatoroptimierung hilfreich sind. Die Methode eignet sich darüber hinaus auch, um Prozesse an Batterieelektroden, bei der Photokatalyse oder an aktiven Biomaterialien zu untersuchen.
- Elektrokatalyse - Chemie und Struktur von Eisen- Kobalt-Oxyhydroxiden vermessenEin Team um Dr. Prashanth W. Menezes (HZB/TU-Berlin) hat Kobalt-Eisen-Oxyhydroxide an BESSY II untersucht. Diese Materialklasse zählt zu den besten Anoden-Katalysatoren, um elektrolytisch Wasser aufzuspalten und grünen Wasserstoff zu gewinnen. Insbesondere gelang es, die Oxidationsstufen der aktiven Elemente in verschiedenen Konfigurationen zu bestimmen. Die Ergebnisse könnten zur wissensbasierten Entwicklung neuer hocheffizienter und kostengünstiger katalytisch aktiver Materialien beitragen.
- Stabilität von Perowskit-Solarzellen erreicht den nächsten MeilensteinPerowskit-Halbleiter versprechen hocheffiziente und preisgünstige Solarzellen. Allerdings reagiert das halborganische Material sehr empfindlich auf Temperaturunterschiede, was im normalen Außeneinsatz rasch zu Ermüdungsschäden führen kann. Gibt man jedoch eine dipolare Polymerverbindung zur Vorläuferlösung des Perowskits hinzu, verbessert sich die Stabilität enorm. Dies zeigt nun ein internationales Team unter der Leitung von Antonio Abate, HZB, im Fachjournal Science. Die so hergestellten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von deutlich über 24 Prozent, die selbst bei dramatischen Temperaturschwankungen zwischen -60 und +80 Grad Celsius über hundert Zyklen kaum sinken. Das entspricht etwa einem Jahr im Außeneinsatz.
- Neue Mikroskopiemethode liefert Echtzeitvideos aus dem MikrokosmosEin Wissenschaftsteam unter Leitung von Forschenden des Max-Born-Instituts in Berlin, des Helmholtz-Zentrums Berlin, des Brookhaven National Laboratory (USA) und des Massachusetts Institute of Technology (USA) hat eine neue Methode entwickelt, um mit starken Röntgenquellen Videos von Fluktuationen in Materialien auf der Nanoskala aufzunehmen. Die Methode ist in der Lage, scharfe, hochauflösende Bilder zu machen, ohne das Material durch zu starke Belichtung zu beeinträchtigen. Dafür entwickelten die Wissenschaftler*innen einen Algorithmus, der in unterbelichteten Aufnahmen Muster erkennen kann. Im Fachjournal Nature beschreiben sie die Methode des Coherent Correlation Imaging (CCI) und stellen Ergebnisse für Proben aus dünnen magnetischen Schichten vor.
- Energiereiche Röntgenstrahlen hinterlassen Spuren im KnochenkollagenEin Team der Charité Berlin hat an BESSY II die Schädigung durch fokussierte hochenergetische Röntgenstrahlung in Knochenproben von Fischen und Säugetieren analysiert. Mit einer Kombination von Mikroskopietechniken konnten sie die Zerstörung von Kollagenfasern dokumentieren. Röntgenmethoden könnten Knochenproben beeinträchtigen, wenn sie über einen längeren Zeitraum gemessen werden, schlussfolgern sie.
- Neutronenexperimente enthüllen, was Knochen funktional hältWas sorgt dafür, dass Knochen gut auf Belastung reagieren? Ein Team der Charité Berlin hat Hinweise auf die Schlüsselfunktion von nicht-kollagenen Eiweißverbindungen entdeckt und wie sie den Knochenzellen helfen, auf äußere Belastungen zu reagieren. An Fischmodellen untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Knochenproben mit und ohne Knochenzellen, um Unterschiede in Mikrostruktur und Wassereinlagerung aufzuklären. Am Berliner Forschungsreaktor BER II gelang es ihnen erstmals, die Wasserdiffusion durch das Knochenmaterial genau zu messen - mit einem überraschenden Ergebnis.
- KI-gestützte Software schafft Durchblick bei komplexen DatenExperimentelle Daten sind oft nicht nur hochdimensional, sondern auch verrauscht und voller Artefakte. Das erschwert es, die Daten zu interpretieren. Nun hat ein Team am HZB eine Software konzipiert, die mit Hilfe von selbstlernenden neuronalen Netzwerken die Daten smart komprimiert und im nächsten Schritt eine rauscharme Version rekonstruieren kann. Das ermöglicht Einblicke in Zusammenhänge, die sonst nicht erkennbar wären. Die Software wurde jetzt erfolgreich für die Photonendiagnostik beim Freien Elektronenlaser FLASH bei DESY eingesetzt. Sie eignet sich jedoch für ganz unterschiedliche Anwendungen in der Wissenschaft.
- 4000. Proteinstruktur an BESSY II entschlüsseltBei der 4000. Struktur handelt es sich um das Molekül FKBP51, das mit stressinduzierten Erkrankungen wie Depressionen, chronischen Schmerzen und Diabetes zusammenhängt. Das Team um Prof. Dr. Felix Hausch, TU Darmstadt, nutzt die Kenntnis der dreidimensionalen Struktur, um neue Strategien für das Design passender Medikamente zu entwickeln.
- Neue Monochromatoroptiken für den „tender“ RöntgenbereichBislang war es äußerst langwierig, Messungen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Ortsauflösung mittels Röntgenlicht im „tender“ Energiebereich von 1,5 - 5,0 keV durchzuführen. Dabei eignet sich genau dieses Röntgenlicht ideal, um Energiematerialien für Batterien oder Katalysatoren, aber auch biologische Systeme zu untersuchen. Dieses Problem hat nun ein Team aus dem HZB gelöst: Die neu entwickelten Monochromatoroptiken erhöhen den Photonenfluss im „tender“ Energiebereich um den Faktor 100 und ermöglichen so hochpräzise Messungen nanostrukturierter Systeme. An katalytisch aktiven Nanopartikeln und Mikrochips wurde die Methode erstmals erfolgreich getestet.
- Nanodiamanten als Photokatalysatoren mit Sonnenlicht aktivierbarNanodiamant-Materialien besitzen Potenzial als preisgünstige Photokatalysatoren. Doch bisher benötigten solche Kohlenstoff-Nanopartikel energiereiches UV-Licht, um aktiv zu werden. Das DIACAT-Konsortium hat daher Variationen von Nanodiamant-Materialien hergestellt und analysiert. Die Arbeit zeigt: Wenn die Oberfläche der Nanopartikel mit ausreichend Wasserstoff-Atomen besetzt ist, reicht auch die schwächere Energie von Licht im sichtbaren Bereich für die Anregung aus. Photokatalysatoren auf Basis von Nanodiamanten könnten in Zukunft mit Sonnenlicht CO2 oder N2 in Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak umwandeln.
- Tomographie zeigt hohes Potenzial von Kupfersulfid-FeststoffbatterienFeststoffbatterien ermöglichen noch höhere Energiedichten als Lithium-Ionenbatterien bei hoher Sicherheit. Einem Team um Prof. Philipp Adelhelm und Dr. Ingo Manke ist es gelungen, eine Feststoffbatterie während des Ladens und Entladens zu beobachten und hochaufgelöste 3D-Bilder zu erstellen. Dabei zeigte sich, dass sich Rissbildung durch höheren Druck effektiv verringern lässt.
- Quanten-Algorithmen sparen Zeit bei der Berechnung von ElektronendynamikQuantencomputer versprechen erheblich kürzere Rechenzeiten für komplexe Probleme. Aber noch gibt es weltweit nur wenige Quantencomputer mit einer begrenzten Anzahl so genannter Qubits. Quantencomputer-Algorithmen können aber auch auf konventionellen Servern laufen, die einen Quantencomputer simulieren. Ein HZB-Team hat damit nun am Beispiel eines kleinen Moleküls dessen Elektronenorbitale und ihre dynamische Entwicklung nach einer Laserpulsanregung berechnet. Die Methode eignet sich auch, um größere Moleküle zu untersuchen, die mit konventionellen Methoden nicht mehr berechnet werden können.
- Wie sich Photoelektroden im Kontakt mit Wasser verändernPhotoelektroden auf der Basis von BiVO4 gelten als Top-Kandidaten für die solare Wasserstofferzeugung. Doch was passiert eigentlich, wenn sie mit Wassermolekülen in Kontakt kommen? Eine Studie im Journal of the American Chemical Society hat diese entscheidende Frage nun teilweise beantwortet: Überschüssige Elektronen aus dotierten Fremdelementen oder Defekten fördern die Dissoziation von Wasser, was wiederum sogenannte Polaronen an der Oberfläche stabilisiert. Dies zeigen Daten aus Experimenten eines HZB-Teams an der Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, bessere Photoanoden für die grüne Wasserstoffproduktion zu entwickeln.
- BESSY II: Einfluss von Protonen auf WassermoleküleWie Wasserstoff-Ionen oder Protonen mit ihrer wässrigen Umgebung wechselwirken, hat große Praxisrelevanz, ob in der Technologie von Brennstoffzellen oder in den Lebenswissenschaften. Nun hat ein großes internationales Konsortium an der Röntgenquelle BESSY II diese Frage experimentell im Detail untersucht und neue Effekte entdeckt. So verändert die Anwesenheit eines Protons die elektronische Struktur der drei innersten Wassermoleküle, wirkt sich aber außerdem auch noch darüber hinaus über ein langreichweitiges Feld auf eine Hydrathülle aus fünf weiteren Wassermolekülen aus.
- Photokatalyse: Prozesse bei der Ladungstrennung experimentell erfasstBestimmte Metalloxide gelten als gute Kandidaten für Photokatalysatoren, um mit Sonnenlicht grünen Wasserstoff zu produzieren. Ein chinesisches Team hat nun in Nature spannende Ergebnisse zu Kupfer(I)oxid-Partikeln veröffentlicht, zu denen eine am HZB entwickelte Methode erheblich beigetragen hat. Die transiente Oberflächen-Photospannungs-Spektroskopie zeigte, dass positive Ladungsträger an Oberflächen im Laufe von Mikrosekunden durch Defekte eingefangen werden. Die Ergebnisse geben Hinweise, um die Effizienz von Photokatalysatoren zu steigern.
- Batterien ohne kritische RohstoffeDer Markt für wiederaufladbare Batterien wächst schnell, aber die benötigten Rohstoffe sind begrenzt. Eine Alternative könnten zum Beispiel Natrium-Ionen-Batterien sein. Eine gemeinsame Forschergruppe von HZB und Humboldt-Universität zu Berlin hat dafür neue Kombinationen von Elektrolytlösungen und Elektrodenmaterialien untersucht.
- Tandemsolarzellen mit Perowskit: Nanostrukturen helfen mehrfachEnde 2021 hatten drei Teams am HZB Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von knapp 30 Prozent vorgestellt. Dieser Wert hielt acht Monate lang den Weltrekord, eine sehr lange Zeit für dieses heiß umkämpfte Forschungsfeld. In der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology beschreiben die Beteiligten nun, wie sie mit nanooptischen Strukturierungen und Reflexionsbeschichtungen diesen Rekordwert erreicht haben.
- Spintronik: Ein neues Werkzeug an BESSY II zur Untersuchung der ChiralitätInformationen über komplexe magnetische Strukturen sind entscheidend für das Verständnis und die Entwicklung spintronischer Materialien. Jetzt steht bei BESSY II ein neues Instrument namens ALICE II zur Verfügung. Es ermöglicht magnetische Röntgenstreuung im reziproken Raum mit Hilfe eines neuen großflächigen Detektors. Ein Team des HZB und der Technischen Universität München hat die Leistungsfähigkeit von ALICE II demonstriert und helikale und konische magnetische Zustände in einem Einkristall mit Skyrmionen analysiert. Das neue Instrument steht nun auch Messgästen an BESSY II zur Verfügung.
- Hochentrope Legierungen: Strukturelle Unordnung und magnetische EigenschaftenHochentrope Legierungen (HEAs) sind vielversprechende Materialien für Katalyse und Energiespeicherung. Gleichzeitig sind sie extrem hart, hitzebeständig und vielseitig in ihrem magnetischen Verhalten. Nun hat ein Team an BESSY II in Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum, der BAM, der Freien Universität Berlin und der Universität Lettland neue Erkenntnisse über die lokale Umgebung einer so genannten hochentropischen Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel gewonnen. Damit lassen sich auch die magnetischen Eigenschaften eines nanokristallinen Films dieser Legierung teilweise erklären.
- Grüner Wasserstoff: Raschere Fortschritte durch moderne RöntgenquellenMit der Elektrokatalyse von Wasser lässt sich elektrische Energie aus Sonne oder Wind zur Erzeugung von grünem Wasserstoff nutzen und so speichern. Ein Überblicksbeitrag in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie zeigt, wie moderne Röntgenquellen wie BESSY II die Entwicklung von passenden Elektrokatalysatoren vorantreiben können. Insbesondere lassen sich mit Hilfe von Röntgenabsorptionsspektroskopie die aktiven Zustände von katalytisch aktiven Materialien für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bestimmen. Dies ist ein wichtiger Beitrag, um effiziente Katalysatoren aus günstigen und weit verbreiteten Elementen zu entwickeln.
- Dynamik in 1D-Spinketten neu aufgeklärtDie Neutronenstreuung gilt als die Methode der Wahl, um magnetische Strukturen und Anregungen in Quantenmaterialien zu untersuchen. Nun hat die Auswertung von Messdaten aus den 2000er Jahren mit neuen Methoden erstmals wesentlich tiefere Einblicke in ein Modellsystem - die 1D-Heisenberg-Spinketten - geliefert. Damit steht ein neuer Werkzeugkasten für die Erforschung zukünftiger Quantenmaterialien zur Verfügung.
- BESSY II: Lokalisierung von d-Elektronen vermessenÜbergangsmetalle besitzen vielfältige Anwendungen als Werkstoffe und in der Elektrochemie und Katalyse. Um ihre Eigenschaften zu verstehen, ist das Wechselspiel zwischen atomarer Lokalisierung und Delokalisierung der äußeren Elektronen in den d-Orbitalen entscheidend. Diesen Einblick ermöglicht nun eine besondere Messmethode an BESSY II mit höchster Präzision. Eine Studie an Kupfer, Nickel und Kobalt kommt dabei zu quantitativen Erkenntnissen. Die Royal Society of Chemistry hat den Beitrag als HOT Article 2022 ausgewählt.
- Rhomboedrischer Graphit als Modell für QuantenmagnetismusGraphen ist ein äußerst spannendes Material. Nun zeigt eine Graphen-Variante ein weiteres Talent: Rhomboedrischer Graphit aus mehreren, leicht gegeneinander versetzten Schichten könnte die verborgene Physik in Quantenmagneten aufklären.
- Ein neuer Weg zu spinpolarisierten StrömenDie Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMD) sind eine Materialklasse mit großem Potential für die Spintronik. Eine Studie an BESSY II hat gezeigt, dass in einem dieser Materialien bereits einfach linear polarisiertes Licht ausreicht, um Spins unterschiedlicher Ausrichtung selektiv zu manipulieren. Dieses Ergebnis eröffnet einen neuen Weg zur Erzeugung spinpolarisierter Ströme und ist ein Meilenstein für die Entwicklung spintronischer und opto-spintronischer Geräte.
- Grüner Wasserstoff: Nanostrukturiertes Nickelsilizid glänzt als KatalysatorElektrische Energie aus Wind oder Sonne lässt sich als chemische Energie in Wasserstoff speichern, einem hervorragenden Kraftstoff und Energieträger. Voraussetzung dafür ist allerdings die effiziente Elektrolyse von Wasser mit kostengünstigen Katalysatoren. Nanostrukturiertes Nickelsilizid kann die Effizienz der Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode deutlich steigern. Dies zeigte nun ein Team aus dem HZB, der Technischen Universität Berlin und der Freien Universität Berlin im Rahmen der Forschungsplattform CatLab unter anderem auch mit Messungen an BESSY II.
- Buckyballs auf Gold sind weniger exotisch als GraphenC60-Moleküle auf einem Gold-Substrat wirken komplexer als ihr Vorbild aus Graphen, haben aber viel gewöhnlichere elektronische Eigenschaften. Dies zeigen nun Messungen mit ARPES an BESSY II und ausführliche Berechnungen.
- Mit der dritthöchsten Oxidationsstufe springt Rhodium aufs SiegertreppchenOxidationsstufen von Übergangsmetallen beschreiben, wie viele Elektronen eines Elements bereits an Bindungen beteiligt sind und wie viele noch für weitere Reaktionen zur Verfügung stehen. Teams aus Berlin und Freiburg haben nun die höchste Oxidationsstufe von Rhodium entdeckt. Dies deutet darauf hin, dass Rhodium mehr Valenzelektronen in chemische Bindungen einbringen kann, als bisher angenommen. Diese Erkenntnis könnte für das Verständnis von katalytischen Reaktionen mit Beteiligung von Rhodium von Bedeutung sein. Das Ergebnis wurde von der Zeitschrift Angewandte Chemie als "Very Important Paper" eingestuft.
- Potentialflächen von Wasser erstmals kartiertFlüssigkeiten sind schwerer zu beschreiben als Gase oder kristalline Feststoffe. Ein HZB-Team hat nun an der Swiss Light Source SLS des Paul Scherrer Instituts, Schweiz, erstmals die Potentialflächen von Wassermolekülen in flüssigem Wasser unter normalen Umgebungsbedingungen kartiert. Das trägt dazu bei, die Chemie des Wassers und in wässrigen Lösungen besser zu verstehen. Diese Untersuchungen können demnächst an der neu errichteten METRIXS-Station an der Röntgenquelle BESSY II fortgesetzt werden.
- Spintronik: Germanium-Tellurid zeigt ungewöhnliches VerhaltenAufgrund seines gigantischen Rashba-Effekts gilt Germaniumtellurid (GeTe) als guter Kandidat für den Einsatz in spintronischen Bauelementen. Nun hat ein Team am HZB ein weiteres faszinierendes Phänomen in GeTe entdeckt. Dafür untersuchten die Forschenden die elektronische Reaktion auf thermische Anregung der Proben. Überraschenderweise verlief die anschließende Relaxation ganz anders als bei herkömmlichen Halbmetallen. Durch die gezielte Steuerung von Details der elektronischen Struktur könnten in dieser Materialklasse neue Funktionalitäten erschlossen werden.
- Atomare Verschiebungen in Hochentropie-Legierungen untersuchtHochentropie-Legierungen aus 3d-Metallen haben faszinierende Eigenschaften, die Anwendungen im Energiesektor in Aussicht stellen. Ein internationales Team hat nun lokale Verschiebungen auf atomarer Ebene in einer hochentropischen Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel untersucht. Mit spektroskopischen Analysen an BESSY II und statistischen Simulationen konnten sie das Verständnis dieser Materialgruppe deutlich erweitern.
- Mit Künstlicher Intelligenz die „Fingerabdrücke“ von Molekülen errechnenMit konventionellen Methoden ist es extrem aufwändig, den spektralen Fingerabdruck von größeren Molekülen zu berechnen. Dies ist aber eine Voraussetzung, um experimentell gewonnene Messdaten korrekt zu interpretieren. Nun hat ein Team am HZB mit selbstlernenden Graphischen Neuronalen Netzen sehr gute Ergebnisse in deutlich kürzerer Zeit erzielt.
- Wasserverteilung in der Brennstoffzelle in 4D sichtbar gemachtTeams aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und dem University College London (UCL) haben zum ersten Mal die Wasserverteilung in einer Brennstoffzelle dreidimensional und in Echtzeit visualisiert. Dafür werteten sie Messdaten aus, die noch an der Neutronenquelle BER II am HZB gewonnen wurden. Die Analyse öffnet neue Möglichkeiten zu effizienteren und damit kostengünstigeren Brennstoffzellen.
- Neue Entdeckungen zur Zinkspeicherung im KörperViele Menschen leiden an Zinkmangel, welcher Immunschwäche bei Erwachsenen und insbesondere bei Kindern zur Folge hat. Dies ist z.B. in der mexikanischen Bevölkerung eine Herausforderung für das Gesundheitssystem. Forschende vor Ort suchen nach Erklärungen und haben mit einer internationalen Gruppe von Synchrotronexpert*innen neue Erkenntnisse gewonnen – und zwar an Drosophila-Fliegen, die als Modellsystem auch für den menschlichen Zink-Stoffwechsel dienen können.
Dank Strahlzeiten an BESSY II und an der SLS (PSI) konnten sie aufzeigen, dass die Zinkvorräte in Drosophila-Fliegen vom Tryptophan-Gehalt in der Nahrung abhängen. - Wärmedämmung für QuantentechnologienNeue energieeffiziente IT-Bauelemente arbeiten häufig nur bei extrem tiefen Temperaturen stabil. Daher kommt es entscheidend auf eine sehr gute Wärmeisolierung solcher Elemente an, was die Entwicklung von Materialien mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit erfordert. Ein Team am HZB hat nun mit einem neuartigen Sinterverfahren nanoporöse Silizium-Aluminium-Proben hergestellt, in welchen Poren und Nanokristallite den Transport von Wärme behindern und so die Wärmeleitfähigkeit drastisch reduzieren. Die Forschenden haben ein Modell für die Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit entwickelt, das anhand von Messdaten zur Mikrostruktur der Proben und deren Wärmeleitfähigkeit bestätigt wurde. Damit liegt erstmals eine Methode für die gezielte Entwicklung von komplexen porösen Materialien mit ultraniedriger Wärmeleitfähigkeit vor.
- Magnetische Nanopartikel in biologischen Trägern einzeln charakterisiertMagnetische Nanostrukturen sind vielversprechende Werkzeuge für medizinische Anwendungen. Eingebaut in biologische Vehikel, lassen sich diese dann durch externe Magnetfelder an ihren Einsatzort im Körper steuern, wo sie Medikamente freisetzen oder Krebszellen zerstören können. Dazu ist jedoch die genaue Kenntnis der magnetischen Eigenschaften solcher Nanoteilchen nötig. Bisher konnten solche Informationen nur gemittelt über tausende Nanopartikel gewonnen werden. Nun hat ein Team am HZB eine Methode entwickelt, um die charakteristischen Parameter jedes einzelnen magnetischen Nanopartikels zu bestimmen.
- Wie die Spin-Kopplung die katalytische Aktivierung von Sauerstoff beinflusstEin Team am EPR4Energy-Joint lab von HZB und MPI CEC hat ein neues Verfahren der THz-EPR-Spektroskopie entwickelt, um die katalytische Aktivierung von molekularem Sauerstoff durch Kupferkomplexe zu untersuchen. Die Methode erlaubt Einblicke in bisher nicht zugängliche Spin-Spin-Wechselwirkungen und die Funktion neuartiger katalytischer und magnetischer Materialien.
- Perowskit-Solarzellen: Eigenschaften bleiben noch rätselhaftUm die besonders günstigen Eigenschaften von Perowskit-Halbleitern für Solarzellen zu erklären, kursieren verschiedene Hypothesen. So sollten Polaronen oder auch ein gigantischer Rashba-Effekt eine große Rolle spielen. Ein Team an BESSY II hat diese Hypothesen nun experimentell widerlegt. Damit grenzen sie die möglichen Ursachen für die Transporteigenschaften weiter ein und ermöglichen bessere Ansätze zur gezielten Optimierung dieser Materialklasse.
- Solarer Wasserstoff: Bessere Photoelektroden durch Blitz-ErhitzungUm mit Sonnenlicht Wasser elektrolytisch aufzuspalten, werden Photoelektroden gebraucht. Kostengünstige Metalloxid-Dünnschichten mit hoher elektronischer Qualität eignen sich sehr gut dafür, doch ihre Herstellung ist komplex. Insbesondere lässt sich die Qualität der Metalloxid-Dünnschichten nur durch eine thermische Behandlung bei sehr hohen Temperaturen verbessern. Dabei würde jedoch das darunter liegende leitfähige Glassubstrat schmelzen. Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat dieses Dilemma nun gelöst: Ein hochintensiver Lichtpuls heizt die halbleitende Metalloxid-Dünnschicht blitzschnell direkt auf, ohne das Substrat zu beschädigen.
- Quantenkomplexität wächst linear für exponentiell lange ZeitenWer sich mit Physik beschäftigt, weiß: Zwischen Quantenphysik und Gravitationstheorie klafft ein ziemlicher Graben. Allerdings hat die theoretische Physik in den letzten Jahrzehnten mit Hilfe einer plausiblen Vermutung eine „Brücke“ konstruiert, um diesen Graben zu überwinden. Das hilft dabei, das Verhalten von komplexen Quanten-Vielkörpersystemen zu beschreiben, zum Beispiel von Schwarzen Löcher und Wurmlöchern im Universum. Nun hat eine Theoriegruppe an der Freien Universität Berlin und am HZB zusammen mit Teams aus Harvard-University, USA, eine mathematische Vermutung über das Verhalten von Komplexität in solchen Systemen bewiesen, und damit die Tragfähigkeit dieser Brücke erhöht. Die Arbeit ist in Nature Physics erschienen.
- Ultraschneller Röntgenblick in die elektronische Struktur von PhotosäurenPhotosäuren sind Moleküle, die nach elektronischer Anregung ein Proton freisetzen und so den Säuregrad einer Flüssigkeit erhöhen. Die Pionierarbeit von Theodor Förster hat für solche Moleküle die direkte Beziehung zwischen der Wellenlänge der optischen Absorption und den Säureeigenschaften aufgezeigt, mit der die Erhöhung des Säuregrades im ersten elektronisch angeregten Zustand quantifiziert werden kann. Zugrundeliegende vollständige Beschreibungen der mikroskopischen Effekte die das Photosäure-Phänomen erklären sind jedoch seither spärlich geblieben. Ultraschnelle Röntgenspektroskopie, bei der die elektronische Struktur einer protonenliefernden Gruppe einer aromatischen Amin-Photosäure lokal untersucht wird, hat nun einen direkten Einblick in die Veränderungen der elektronischen Struktur ermöglicht. Die seit langem offene Frage nach der Photoazidität ist nun endlich geklärt: Die wichtigsten elektronischen Strukturänderungen finden auf der Basenseite des sogenannten Förster-Zyklus statt, während die Säureseite eine untergeordnete Rolle spielt.
- Fermi-Bögen in Antiferromagneten an BESSY II entdecktEine internationale Kooperation hat Proben von NdBi-Kristallen untersucht, die interessante magnetische Eigenschaften aufweisen. Bei ihren Experimenten, darunter Messungen an BESSY II, konnten sie Hinweise auf so genannte Fermi-Bögen im antiferromagnetischen Zustand der Probe bei tiefen Temperaturen finden. Diese Beobachtung wird durch bestehende theoretische Vorstellungen noch nicht erklärt und eröffnet faszinierende Möglichkeiten, diese Art von Materialien für innovative Informationstechnologien zu nutzen, die auf Spins statt auf Elektronen basieren.
- Tautomere Gemische enträtselt: RIXS an BESSY II liefert klare AussagenEin Team am HZB hat eine Methode entwickelt, um tautomere Gemische zu untersuchen. Mit resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS) an BESSY II lassen sich nicht nur die Anteile der jeweiligen Tautomere exakt bestimmen, sondern auch die Eigenschaften jedes Tautomers. Damit liefert die Methode auch detaillierte Informationen über ihre biologische Funktion. In der Studie wurde die Technik auf das Keto-Enol-Gleichgewicht angewendet, das bei vielen biologischen Prozessen eine Rolle spielt. Auf dem Titelblatt weist das "The Journal of Physical Chemistry Letters" auf die Arbeit hin.
- Prognose des Wirkungsgrads von Solarzellen mit Terahertz- und MikrowellenspektroskopieViele unterschiedliche Halbleitermaterialien kommen für Solarzellen in Frage. In den letzten Jahren haben insbesondere die Perowskit-Halbleiter Aufsehen erregt, die sowohl preiswert als auch leicht zu verarbeiten sind und hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Nun zeigt eine Studie mit 15 Forschungseinrichtungen, wie sich mit Terahertz- (TRTS) und Mikrowellen-Spektroskopie (TRMC) zuverlässig Mobilität und Lebensdauer der Ladungsträger ermitteln lassen. Aus diesen Messdaten ist es möglich, den potenziellen Wirkungsgrad der Solarzelle vorherzusagen und die Verluste in der fertigen Zelle einzuordnen.
- Standard-Silizium-Solarzellen erstmals mit Perowskit zu Tandem kombiniertDie Massenfertigung von Silizium-Solarzellen nutzt so genannte PERC-Zellen, sie gelten als „Arbeitspferde“ der Photovoltaik. Nun haben zwei Teams vom HZB und dem Institut für Solarenergie-Forschung in Hameln (ISFH) gezeigt, dass solche Standard-Silizium-Zellen als Basis für Tandemzellen mit Perowskit-Topzellen geeignet sind. Aktuell liegt der Wirkungsgrad der Tandemzelle zwar noch unterhalb dem von optimierten PERC-Zellen allein, könnte aber durch gezielte Optimierungen rasch auf bis zu 29,5 % gesteigert werden. Die Forschung wurde im Rahmen eines Verbundprojekts durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
- Lithium-Schwefel-Akkus: Erste multimodale Analyse im PouchzellenformatLithium-Schwefel-Akkus (Li/S) haben deutlich höhere Energiedichten als konventionelle Lithium-Ionen-Akkus, altern allerdings sehr rasch. Nun hat ein Team am HZB erstmals Li/S-Akkus im industrierelevanten Pouchzellen-Format mit unterschiedlichen Elektrolyten untersucht. An der Studie waren auch Teams der TU Dresden sowie des Fraunhofer-IWS beteiligt. Mit einer eigens entwickelten Messzelle können Impedanz, Temperatur, und Druck zu verschiedenen Zeitpunkten erfasst und mit radiographischen Aufnahmen kombiniert werden. Die Auswertung zeigt, wie sich der Elektrolyt auf die Bildung von unerwünschten Schwefelpartikeln und Polysulfiden auswirkt. Die Studie ist im renommierten Fachjournal Advanced Energy Materials publiziert.
- Innovative Katalysatoren: Ein ÜberblicksbeitragGrüner Wasserstoff benötigt hocheffiziente (Elektro-)Katalysatoren. Auch für die chemische Industrie, die Düngemittelproduktion und andere Wirtschaftszweige sind Katalysatoren unerlässlich. Neben den Übergangsmetallen sind inzwischen eine Vielzahl anderer metallischer oder nichtmetallischer Elemente in den Fokus der Forschung gerückt. In einem Übersichtsartikel geben Experten des CatLab am HZB und der Technischen Universität Berlin einen Überblick über den aktuellen Wissensstand und einen Ausblick auf zukünftige Forschungsfragen.
- Nutzerforschung an BESSY II: Was passiert in Biofilmen?Die meisten Bakterien haben die Fähigkeit, sich zu Gemeinschaften zusammenzuschließen. Sie bilden Biofilme, die auf den unterschiedlichsten Oberflächen haften und schwer zu entfernen sind. Dies kann zu großen Problemen führen, zum Beispiel in Krankenhäusern oder in der Lebensmittelindustrie. Nun hat ein internationales Team unter Leitung der Hebrew University, Jerusalem, und der Technischen Universität Dresden ein Modellsystem für Biofilme an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II am HZB und der ESRF in Grenoble untersucht und dabei herausgefunden, welche Rolle die Strukturen im Inneren des Biofilms bei der Verteilung von Nährstoffen und Wasser spielen.
- Ein elektronischer Regenbogen: Perowskit-Spektrometer mit TintenstrahldruckerMit einem Tintenstrahldruckverfahren haben Teams aus dem Innovation Lab HySPRINT am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) Photodetektoren auf Basis von hybriden Perowskit-Halbleitern produziert. Durch gezieltes Abmischen von nur drei „Tinten“ konnten sie die Eigenschaften des Halbleiters während des Druckvorgangs präzise einstellen. Der Tintenstrahldruck ist in der Industrie eine etablierte Herstellungsmethode, die eine schnelle und kostengünstige Verarbeitung von Lösungen ermöglicht. Die Ausweitung von der großflächigen Beschichtung auf die kombinatorische Materialsynthese eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung verschiedener elektronischer Komponenten in einem einzigen Druckschritt.
- Ein Wiki für die Perowskit-SolarzellenforschungAus mehr als 15 000 Fachveröffentlichungen hat ein internationales Expertenteam Daten zu Metallhalogenid-Perowskit-Solarzellen gesammelt und eine Datenbank dafür entwickelt. Die Datenbank mit ihren Visualisierungsoptionen und Analysetools ist Open Source und soll den Überblick über rasch anwachsenden Wissensstand sowie die offenen Fragen in dieser spannenden Materialklasse ermöglichen. Die Studie wurde von der HZB-Wissenschaftlerin Dr. Eva Unger initiiert und von Ihrem Postdoc Jesper Jacobsson umgesetzt und koordiniert.
- Flüssigkristalle für schnelle SchaltprozesseEin internationales Team hat eine neu synthetisierte flüssigkristalline Verbindung untersucht, die Anwendungen in der Opto-Elektronik verspricht. Einfache stäbchenförmige Moleküle mit nur einem einzigen Chiralitätszentrum ordnen sich bei Raumtemperatur von selbst zu spiralförmigen Strukturen. Durch resonante Röntgenstreuung an BESSY II konnten die Forscher*innen nun die Ganghöhe der Helixstruktur bestimmen. Mit nur etwa 100 Nanometern ist diese extrem kurz, was besonders schnelle Schaltprozesse ermöglichen könnte.
- Grüne Informationstechnologien: Supraleitung trifft SpintronikEin internationales Team hat eine Kopplung zwischen zwei supraleitenden Regionen nachgewiesen, die durch ein ferromagnetisches Material von einem Mikrometer Breite getrennt sind. Dieser makroskopische Quanteneffekt ist als Josephson-Effekt bekannt und erzeugt einen Strom aus supraleitenden Cooper-Paaren innerhalb der ferromagnetischen Region. Messungen an BESSY II zeigten, dass der Spin der Cooper-Elektronen gleich ist. Die Ergebnisse weisen den Weg für supraleitende spintronische Anwendungen mit sehr geringem Energiebedarf, bei denen spinpolarisierte Ströme durch Quantenkohärenz geschützt sind.
- Neutronendaten zeigen geisterhafte Verschränkung in Quantenmagneten auf
Anhand von Messdaten an der britischen Neutronenquelle ISIS aus dem Jahr 2000 haben Forschungsteams nun einen Beleg für die geisterhafte Fernwirkung entdeckt, mit der magnetische Teilchen oder Spins in einem Quantenmaterial miteinander verschränkt sind. An der Auswertung war auch ein Team des HZB unter Leitung von Prof. Bella Lake beteiligt.
- „Grüne“ Chemie: Einblicke in die mechanochemische Synthese an BESSY IIIn der Mechanochemie werden die Reagenzien fein gemahlen und gemischt, so dass sie sich auch ohne Lösungsmittel zum gewünschten Produkt verbinden. Durch den Verzicht auf Lösungsmittel könnte diese Technologie in Zukunft einen wichtigen Beitrag zur "grünen", umweltfreundlichen Herstellung von Chemikalien leisten. Allerdings gibt es noch große Lücken im Verständnis der Schlüsselprozesse, die bei der mechanischen Behandlung und Reaktion ablaufen. Ein internationales Team unter Leitung der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) hat nun an BESSY II eine Methode entwickelt, um diese Prozesse in situ mit Röntgenstreuung zu beobachten.
- Spintronik: Exotische ferromagnetische Ordnung in zwei Dimensionen nachgewiesenEinem internationalen Team ist es an der Vektormagnetanlage VEKMAG an BESSY II gelungen, eine ungewöhnliche ferromagnetische Eigenschaft in einem zweidimensionalen Material nachzuweisen: eine sogenannte Anisotropie der leichten Ebene („easy-plane“). Die Ergebnisse könnten die Entwicklung von energieeffizienten Informationstechnologien weiter beflügeln und sind nun im renommierten Fachmagazin Science veröffentlicht.
- Ultraschneller Magnetismus: Schnappschuss der GitterschwingungenMagnetische Festkörper können mit einem kurzen Laserpuls schnell entmagnetisiert werden. Nach diesem Prinzip funktionieren die so genannten HAMR-Speicher (Heat Assisted Magnetic Recording), die bereits auf dem Markt sind. Die mikroskopischen Mechanismen der ultraschnellen Entmagnetisierung sind allerdings noch nicht vollständig geklärt. Ein HZB-Team hat an BESSY II eine Methode entwickelt, um einen dieser mikroskopischen Mechanismen quantitativ zu erfassen. Damit konnten sie nun das Element Gadolinium untersuchen, dessen magnetische Eigenschaften durch Elektronen sowohl auf der 4f- als auch auf der 5d-Schale verursacht werden. Diese Studie vervollständigt eine Reihe von Experimenten, die das Team an Nickel und Eisen-Nickel-Legierungen durchgeführt hat. Das Verständnis dieser Mechanismen ist für die Entwicklung ultraschneller Datenspeicher nützlich.
- Perowskit-Solarzellen: Defekte fangen Ladungsträger ein - und geben sie wieder freiEin Team am HZB und der Charles Universität in Prag hat untersucht, wie in den so genannten MAPI-Perowskit-Halbleitern Ladungsträger mit unterschiedlichen Defekten wechselwirken. Die Studie zeigt, dass ein großer Teil der Defekte eingefangene Ladungsträger schnell wieder freigibt. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Eigenschaften von Perowskit-Solarzellen weiter zu verbessern.
- Scharfer Blick in winzige ferroelektrische KristalleWas geschieht mit ferroelektrischen Werkstoffen, wenn ihre Dimensionen stark verkleinert werden? Ein Forscherteam am HZB konnte nun zeigen, wie sich diese Frage detailliert beantworten lässt.
- Strahldiagnostik für zukünftige Beschleuniger im TischformatSeit Jahrzehnten wurden Teilchenbeschleuniger immer größer. Inzwischen haben Ringbeschleuniger mit Umfängen von vielen Kilometern eine praktische Grenze erreicht. Auch Linearbeschleuniger im GHz-Bereich erfordern sehr große Baulängen. Seit einigen Jahren gibt es jedoch eine Alternative: „Teilchenbeschleuniger im Tischformat“, die auf der Laseranregung von Kielwellen in Plasmen (laser wakefield) basieren. Solche kompakten Teilchenbeschleuniger wären insbesondere für künftige beschleunigergetriebene Lichtquellen interessant, werden aber auch für die Hochenergiephysik untersucht. Ein Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hat eine Methode entwickelt, um den Querschnitt der so beschleunigten Elektronenpakete präzise zu vermessen. Dadurch rücken Anwendungen dieser neuen Beschleunigertechnologien für Medizin und Forschung näher.
- Neuer Weltrekord in der Materialforschung – Röntgenmikroskopie mit 1000 Tomogrammen pro SekundeTomoskopie heißt die bildgebende Methode, in der in rascher Abfolge dreidimensionale Bilder aus dem Innern von Materialien errechnet werden. Nun hat ein Team um den HZB-Physiker Francisco García Moreno an der TOMCAT-Beamline der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am Paul-Scherrer-Institut einen neuen Weltrekord erreicht: Mit 1000 Tomogrammen pro Sekunde ist es nun möglich, sehr schnelle Prozesse und Entwicklungen in Materialien auf der Mikrometerskala zerstörungsfrei zu dokumentieren, etwa das Abbrennen einer Wunderkerze oder das Aufschäumen einer Metall-Legierung für die Herstellung von stabilen Leichtbaumaterialien.
- Oberflächenanalytik an BESSY II: Schärfere Einblicke in Dünnschicht-SystemeGrenzflächen in Halbleiter-Bauelementen oder Solarzellen spielen für ihre Funktionalität eine entscheidende Rolle. Dennoch war es bislang oft schwierig, mit spektroskopischen Verfahren angrenzende Dünnschichten getrennt zu untersuchen. Ein HZB-Team hat an BESSY II zwei verschiedene spektroskopische Methoden kombiniert und an einem Modellsystem demonstriert, wie gut die Unterscheidung damit gelingt.
- Unordnung bringt quantenphysikalische Talente zum VorscheinQuanteneffekte machen sich vor allem bei extrem tiefen Temperaturen bemerkbar, was ihren Nutzen für technische Anwendungen einschränkt. Dünnschichten aus MnSb2Te4 zeigen jedoch neue Talente, weil sie zu einem kleinen Überschuss an Mangan neigen. Offenbar sorgt die entstehende Unordnung für spektakuläre Eigenschaften: Das Material erweist sich als Topologischer Isolator und ist ferromagnetisch bis zu vergleichsweise hohen Temperaturen von 50 Kelvin, zeigen Messungen an BESSY II. Damit kommt diese Materialklasse für Quantenbits in Frage, aber auch generell für die Spintronik oder Anwendungen in der Hochpräzisions-Metrologie.
- Lithium-Dendriten auf der Spur: Wie zerstörerische Strukturen in Batterien wachsenWinzige Strukturen im Inneren von Lithium-Batterien können die Lebensdauer der Energiespeicher stark einschränken. Den Prozess dahinter hat nun ein Forscherteam vom HZB genauer untersucht. Ihre Ergebnisse liefern Ansatzpunkte für langlebigere und sicherere Lithium-Batterien.
- Perowskit-Solarzellen: Was geschieht an SAM-Passivierungsschichten?Metall-organische Perowskit-Materialien versprechen kostengünstige und leistungsstarke Solarzellen. Einer Gruppe am HZB ist es nun gelungen, verschiedene Effekte genauer zu unterscheiden, die an einer SAM-Passivierungsschicht auftreten und die Verluste an den Grenzflächen verringern. Ihre Ergebnisse tragen dazu bei, solche funktionalen Zwischenschichten zu optimieren.
- Grüner Wasserstoff: Warum werden bestimmte Katalysatoren im Betrieb besser?Kristallines Kobalt-Arsenid ist ein Katalysator für die Sauerstoffentwicklung bei der elektrolytischen Wasserspaltung für die Erzeugung von Wasserstoff. Das Material gilt als Modellsystem für eine interessante Gruppe von Katalysatoren, deren Leistungen sich im Lauf der Elektrolyse unter bestimmten Bedingungen steigern. Nun hat ein Team um Marcel Risch an BESSY II aufgeklärt, dass zwei gegenläufige Entwicklungen dafür verantwortlich sind. Einerseits nimmt die katalytische Aktivität der einzelnen Katalysezentren im Verlauf der Elektrolyse ab, aber gleichzeitig verändert sich auch die Morphologie der Katalysatorschicht. Unter günstigen Bedingungen kommen dadurch wesentlich mehr Katalysezentren in Kontakt mit dem Elektrolyten, so dass die Leistungsfähigkeit des Katalysators insgesamt steigen kann.
- Wenn beim Abkühlen die Vibrationen zunehmen: Anti-Frieren beobachtetEin internationales Team hat in einem Nickel-Oxid-Material beim Abkühlen einen erstaunlichen Effekt beobachtet: Statt einzufrieren, nehmen bestimmte Fluktuationen mit sinkender Temperatur sogar zu. Nickel-Oxid ist ein Modellsystem, das strukturell den Hochtemperatur-Supraleitern ähnelt. Das Experiment zeigt wieder einmal, dass das Verhalten dieser Materialklasse immer Überraschungen bereithält.
- Wasser als Metall an BESSY II nachgewiesenReines Wasser ist unter Normalbedingungen ein nahezu perfekter Isolator. Metallische Eigenschaften entwickelt Wasser nur unter extremem Druck, wie er höchstens im Innern von großen Planeten herrscht. Nun hat eine internationale Kooperation mit einem ganz anderen Ansatz metallisches Wasser erzeugt und den Phasenübergang an BESSY II dokumentiert. Die Arbeit ist in Nature publiziert.
- Bleifreie Perowskit-Solarzellen – Wie Fluor-Additive die Qualität verbessernZinnhalogenid-Perowskite gelten aktuell als beste Alternative zu den bleihaltigen Analogen, sind jedoch im Vergleich zu diesen noch deutlich weniger effizient und stabil. Nun hat ein Team um Prof. Antonio Abate aus dem HZB die chemischen Prozesse in der Perowskit-Vorläuferlösung und deren Fluoridchemie eingehend analysiert. Durch eine raffinierte Kombination von Messmethoden an BESSY II mit Kernspinresonanz konnten sie zeigen, dass Fluorid die Oxidation von Zinn verhindert, was zu einer homogeneren Filmbildung mit weniger Defekten führt und die Qualität der Halbleiterschicht erhöht.
- Informationstechnologien: Topologische Materialien für die ultraschnelle SpintronikEin Team um den HZB-Physiker Dr. Jaime Sánchez-Barriga hat neue Einblicke in die ultraschnelle Anregung und Reaktion von Toplogischen Zuständen der Materie auf Femtosekunden-Laseranregung gewonnen. Mit zeit- und spinaufgelösten Methoden untersuchten die Physiker an BESSY II, wie das komplexe Wechselspiel im Verhalten angeregter Elektronen im Volumen und an der Oberfläche nach optischer Anregung zu einer ungewöhnlichen Spindynamik führt. Die Arbeit ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu spintronischen Bauelementen auf Basis topologischer Materialien für die ultraschnelle Informationsverarbeitung.
- Solarer Wasserstoff für die Antarktis – Studie zeigt Vorteile des thermisch gekoppelten AnsatzesWie sich am Südpol mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen lässt und welche Methode dafür am meisten verspricht, hat nun ein Team vom HZB-Institut für Solare Brennstoffe, der Universität Ulm und der Universität Heidelberg untersucht. Ihr Fazit: In extrem kalten Regionen kann es deutlich effizienter sein, die PV-Module direkt am Elektrolyseur anzubringen, also thermisch zu koppeln. Denn die Abwärme aus den PV-Modulen steigert die Effizienz der Elektrolyse. Die Ergebnisse dieser Studie, die nun in Energy & Environmental Science publiziert wurde, sind auch für andere kalte Regionen der Erde interessant, zum Beispiel Alaska, Kanada, oder Hochgebirgsregionen. Dort könnte grüner Wasserstoff fossile Brennstoffe wie Erdöl und Benzin ersetzen.
- BESSY II: Universellen Regulationsmechanismus in Pflanzenzellen entdecktIn einer Pionierarbeit konnte ein deutsch-japanisches Team an BESSY II die 3D-Struktur eines katalytischen Metallo-Proteins bestimmen, das in allen Pflanzenzellen eine wichtige Rolle spielt. Es handelt sich dabei um die DYW-Desaminase-Domäne des so genannten RNA-Editosoms. In dieser DYW-Domäne sitzt ein Zink-Ion, dessen Aktivität mit einem sehr ungewöhnlichen Mechanismus kontrolliert wird. Das Team konnte nun diesen Mechanismus erstmals im Detail aufklären. Die Studie in Nature Catalysis gilt als Durchbruch auf dem Gebiet der molekularen Pflanzenbiologie und hat weitreichende biotechnologische Implikationen.
- Perowskit-Solarzellen: Einsichten in die Frühstadien der Strukturbildung
Mit der Methode der Kleinwinkelstreuung an der PTB-Röntgen-Beamline von BESSY II konnte ein HZB-Team experimentell die kolloidale Chemie von Perowskit-Vorläuferlösungen für Solarzellen untersuchen. Die Ergebnisse sind hilfreich, um Herstellungsverfahren und Qualität dieser spannenden Halbleitermaterialien gezielt und systematisch zu optimieren.
- Wie Quantenpunkte miteinander „sprechen“ könnenWie sich die Kommunikation zwischen zwei Quantenpunkten mit Licht beeinflussen lässt, hat nun eine Gruppe am HZB theoretisch ausgearbeitet. Dabei zeigt das Team um Annika Bande auch Wege, um den Informations- bzw. Energieübertrag von einem Quantenpunkt zum anderen zu kontrollieren und zu speichern. Zu diesem Zweck berechneten die Forschenden die Elektronenstruktur von jeweils zwei so genannten Nanokristallen, die als Quantenpunkte fungieren. Mit den Ergebnissen lässt sich die Bewegung von Elektronen in Quantenpunkten in Echtzeit simulieren.
- BESSY II: Neue Einblicke in schaltbare MOF-Strukturen an den MX-BeamlinesMetallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) finden breite Anwendung in Gasspeicherung, Stofftrennung, Sensorik oder Katalyse. Eine spezielle Klasse dieser MOFs hat nun ein Team um Prof. Dr. Stefan Kaskel, TU Dresden, an den MX-Beamlines von BESSY II untersucht. Es handelt sich um „schaltbare“ MOFs, die auf äußere Reize reagieren können. Ihre Analyse zeigt, wie das Verhalten des Materials mit Übergängen zwischen geordneten und ungeordneten Phasen zusammenhängt. Die Ergebnisse sind nun in Nature Chemistry publiziert.
- Perowskit-Solarzellen: Rolle der Wasserstoffbrückenbindungen beleuchtetAuf der Basis von Röntgenmessungen an Methylammonium-Perowskit-Halbleitern hat ein HZB-Team nun gezeigt, welche Rolle Wasserstoffbrückenbindungen in diesen Materialien spielen. Außerdem fand die Forschungsgruppe, dass Strahlenschäden durch weiche Röntgenstrahlung bei dieser empfindlichen Materialklasse noch schneller auftreten als erwartet. Beide Ergebnisse liefern wichtige Hinweise für die Perowskit-Materialforschung für Solarzellen.
- BESSY II: Ein- und Auswanderung von Gastatomen in nanoporöser Speicherstruktur direkt beobachtetBatterieelektroden, Gas-Speicher und einige heterogene Katalysatormaterialien besitzen winzige Poren, die Raum für Atome, Ionen oder Moleküle bieten. Wie genau diese "Gäste" in die Poren einwandern, ist entscheidend für die Funktion solcher Energiematerialien, lässt sich aber meist nur indirekt beobachten. Nun hat ein Team mit dem HZB-ASAXS Instrument an der PTB Röntgen-Beamline von BESSY II mithilfe zweier Röntgenmethoden den Prozess der Einlagerung von Atomen in ein nanoporöses Modellsystem direkt beobachtet. Die Arbeit legt Grundlagen für neue Einblicke in Energiematerialien.
- Grüner Wasserstoff: Israelisch-deutsches Team löst das Rätsel um RostMetalloxide wie Rost eignen sich als Photoelektroden, um „grünen“ Wasserstoff mit Sonnenlicht zu erzeugen. Doch trotz jahrzehntelanger Forschung an diesem preisgünstigen Material sind die Fortschritte begrenzt. Ein Team am HZB hat nun gemeinsam mit Partnern von der Ben-Gurion-Universität und dem Technion, Israel, die optoelektronischen Eigenschaften von Rost (Hämatit) und anderen Metalloxiden in bisher nicht gekanntem Detail analysiert. Ihre Ergebnisse zeigen, dass der maximal erreichbare Wirkungsgrad von Hämatit-Elektroden deutlich geringer ist als bisher angenommen. Die Studie gibt darüber hinaus konkrete Hinweise, wie sich neue Materialien für Photoelektroden realistischer bewerten lassen.
- Kandidaten für Coronamedikamente an Röntgenlichtquelle von DESY identifiziertAn der hochbrillanten Röntgenlichtquelle PETRA III von DESY hat ein Team aus über 30 Forschungseinrichtungen mehrere Kandidaten für Wirkstoffe gegen das Coronavirus SARS-CoV-2 identifiziert. Sie binden an ein wichtiges Protein des Virus und könnten damit die Basis für ein Medikament gegen Covid-19 sein. Das MX-Team aus dem HZB hat dabei einen Teil der Messdaten mit speziellen Analyseprogrammen untersucht, um passende Wirkstoffe zu identifizieren. Die Studie erschien jetzt im renommierten Fachjournal Science.
- Tomographie bringt Einblicke in die frühe Evolution der KnochenFast alle Wirbeltiere besitzen Knochen mit eingebetteten Knochenzellen, die über unzählige Nano-Kanälchen miteinander verbunden sind. Doch wann im Lauf der Evolution ist dieses komplexe Netzwerk entstanden und wieso hat es sich weitgehend durchgesetzt? Ein Team von Paläontologen am Museum für Naturkunde Berlin hat nun erstmals in rund 400 Millionen Jahre alten Fossilien von Meereslebewesen solche Strukturen in beispiellos hoher Auflösung analysiert. Um diese Strukturen sichtbar zu machen, hatten Tomographie-Experten am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) die Proben unter fokussiertem Ionenstrahl im Rasterelektronenmikroskop untersucht und aus den Daten 3D-Abbildungen mit Auflösungen im Nanometerbereich errechnet.
- Neue Einblicke in die Struktur von organisch-anorganischen Hybrid-PerowskitenIn der Photovoltaik haben organisch-anorganische Hybrid-Perowskite eine rasante Karriere gemacht. Doch viele Fragen zur kristallinen Struktur dieser überraschend komplexen Materialklasse sind ungeklärt. Nun hat ein Team am HZB mit einer vierdimensionalen Modellierung Strukturdaten von Methylammonium-Bleibromid (MAPbBr3) interpretiert und dabei inkommensurable Überstrukturen und Modulationen der vorherrschenden Struktur identifiziert. Die Studie ist im ACS Journal of Physical Chemistry Letters publiziert und wurde von den Herausgebern als Editor’s Choice ausgewählt.
- Solarzellen: Verluste auf der Nanoskala sichtbar gemachtSolarzellen aus kristallinem Silizium erreichen Spitzenwirkungsgrade, insbesondere in Verbindung mit selektiven Kontakten aus amorphem Silizium (a-Si:H). Ihre Effizienz wird jedoch durch Verluste in diesen Kontaktschichten begrenzt. Nun hat erstmals ein Team am HZB und der University of Utah, USA, experimentell gezeigt, wie solche Kontaktschichten auf der Nanometerskala Verlustströme generieren und was deren physikalischer Ursprung ist. Mit einem leitfähigen Atom-Kraftmikroskop tasteten sie die Solarzellenoberflächen im Ultrahochvakuum ab, und wiesen winzige, nanometergroße Kanäle für die nachteiligen Dunkelströme nach, die auf Unordnung in der a-Si:H Schicht beruhen.
- Instrument an BESSY II zeigt, wie Licht MoS2-Dünnschichten katalytisch aktiviertDünnschichten aus Molybdän und Schwefel gehören zu einer Klasse von Materialien, die als (Photo)-Katalysatoren infrage kommen. Solche günstigen Katalysatoren werden gebraucht, um mit Sonnenenergie auch den Brennstoff Wasserstoff zu erzeugen. Allerdings sind sie bislang noch wenig effizient. Ein neues Instrument an BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zeigt nun, wie ein Lichtpuls die Oberflächeneigenschaften der Dünnschicht verändert und das Material katalytisch aktiviert.
- Neue Talente von Graphen: Durchstimmbare GitterschwingungenTechnologische Innovationen im letzten Jahrhundert basierten hauptsächlich auf der Kontrolle von Elektronen oder Photonen – im aufstrebenden Forschungsfeld der Phononik geraten nun auch die Schwingungen des Kristallgitters, die Phononen, ins Blickfeld. Ein Team der Freien Universität Berlin und des Helmholtz-Zentrums Berlin hat Graphen mit einem Helium-Ionen-Mikroskop mit einem Lochmuster versehen und dadurch einen phononischen Kristall erzeugt, dessen Resonanzfrequenz sich erstmals in einem breiten Bereich durchstimmen lässt. Dies ist ein echter Durchbruch, der nun im Fachjournal Nano Letters publiziert ist.
- Beschleunigerphysik: Experiment zeigt neue Optionen für Synchrotronlicht-Quellen aufEin internationales Team hat mit einem aufsehenerregenden Experiment gezeigt, wie vielfältig die Möglichkeiten von Synchrotronlicht-Quellen sind. Beschleunigerexperten des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Tsinghua Universität in Peking haben an der Metrology Light Source der PTB Elektronenpakete mit einem Laser so manipuliert, dass diese intensive Lichtpulse mit einer laserartigen Qualität emittierten. Mit dieser Methode wären spezialisierte Synchrotronstrahlungs-Quellen potenziell in der Lage, eine Lücke im Arsenal verfügbarer Lichtquellen zu füllen und die Voraussetzung für industrielle Anwendungen zu bieten. Die Arbeit wurde am 24. Februar 2021 in der führenden Wissenschaftspublikation „Nature“ veröffentlicht.
- Wie das Salz in der Suppe: Die perfekte Mischung für effiziente Perowskit-SolarzellenSolarzellen, die das Sonnenlicht so effizient wie Silizium in elektrische Energie umwandeln, sich dabei aber einfach und aus kostengünstigen Materialien herstellen lassen – für Materialforscher ist das ein langgehegter Traum. Dem sind Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin nun ein Stück nähergekommen. Sie haben ein Verfahren verbessert, mit dem sich günstige Perowskit-Schichten einfach aus Lösungen auf Trägermaterien aufbringen lassen. Dabei haben sie nicht nur entdeckt, welch entscheidende Rolle eines der verwendeten Lösungsmittel spielt, sondern auch die Lagerfähigkeit der Materialtinten genauer unter die Lupe genommen.
- Weltweit erste Videoaufnahme eines Raum-Zeit-Kristalls gelungenEinem deutsch-polnischen Forschungsteam ist der Versuch gelungen, bei Raumtemperatur einen Mikrometer großen Raum-Zeit-Kristall aus Magnonen zu erzeugen. Mithilfe des Rasterröntgenmikroskops MAXYMUS an Bessy II am Helmholtz Zentrum Berlin konnten sie die periodische Magnetisierungsstruktur in einem Kristall sogar filmen. Dieses weltweit erste Video eines Raum-Zeit-Kristalls bei Raumtemperatur sowie das Forschungsprojekt an sich stellten die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart, der Adam Mickiewicz University und der Polish Academy of Sciences in Poznań in Physical Review Letters vor.
- Blackbox-Verfahren für superschnelle ErgebnisseDie elektronische Struktur von komplexen Molekülen und ihre chemische Reaktivität können mit Hilfe der Methode der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS) an BESSY II untersucht werden. Allerdings erfordert die Auswertung von RIXS-Daten bisher sehr lange Rechenzeiten. Ein Team an BESSY II hat nun ein neues Simulationsverfahren entwickelt, das diese Auswertung stark beschleunigt. Die Ergebnisse können sogar während des Experiments berechnet werden. Messgäste können das Verfahren wie eine Blackbox nutzen.
- Solarer Wasserstoff: Photoanoden aus α-SnWO4 versprechen hohe WirkungsgradePhotoanoden aus Metalloxiden gelten als praktikable Lösung für die Erzeugung von Wasserstoff mit Sonnenlicht. So besitzt α-SnWO4 optimale elektronische Eigenschaften für die photoelektrochemische Wasserspaltung, korrodiert jedoch rasch. Schutzschichten aus Nickeloxid können die Korrosion verhindern, reduzieren jedoch die Photospannung und damit den Wirkungsgrad. Nun hat ein Team am HZB an der Synchrotronquelle BESSY II untersucht, was an der Grenzfläche zwischen der Photoanode und der Schutzschicht genau passiert. Kombiniert mit theoretischen Methoden deuten die Messdaten darauf hin, dass sich dort eine Oxidschicht bildet, die den Wirkungsgrad der Photoanode beeinträchtigt.
- Wie sich komplexe Schwingungen in einem Quantensystem mit der Zeit vereinfachenMit einem raffinierten Experiment haben Physiker gezeigt, dass sich in einem eindimensionalen Quantensystem die zunächst komplexe Verteilung von Schwingungen oder Phononen mit der Zeit in eine einfache Gaußsche Glockenkurve verwandeln kann. Das Experiment fand an der Technischen Universität Wien statt, während die theoretischen Überlegungen von einer gemeinsamen Forschergruppe der Freien Universität Berlin und des HZB durchgeführt wurden.
- Perowskit/Silizium Tandemsolarzellen an der Schwelle zu 30 % WirkungsgradIn Science berichtet ein HZB-Team, wie es den aktuellen Weltrekord von 29,15 % in einer Tandemsolarzelle aus Silizium und Perowskit erreichen konnte. Die Tandemzelle zeigt selbst ohne Verkapselung über 300 Stunden eine stabile Leistung. Die Gruppe um Steve Albrecht hat dafür physikalische Prozesse an den Grenzflächen untersucht und gezielt den Ladungsträgertransport verbessert.
- Perowskit-Solarzellen: Auf dem Weg zum gezielten Design von Tinten für die industrielle FertigungFür die Herstellung von hochwertigen Perowskit-Dünnfilmen für großflächige Photovoltaikmodule werden oft optimierte „Tinten“ verwendet, die eine Mischung von Lösungsmitteln enthalten. Ein HZB-Team hat nun an BESSY II analysiert, wie die Kristallisationsprozesse in solchen Mischungen ablaufen. Mit einem neu entwickelten Modell ist es zudem nun möglich, die Kinetik der Kristallisationsprozesse für verschiedene Lösungsmittelgemische vorab zu bewerten. Dies ist hilfreich für die Produktion von Perowskit-Modulen im industriellen Maßstab.
- Nutzerforschung an BESSY II: Graphitelektroden für wiederaufladbare Batterien untersuchtWiederaufladbare Graphit-Dual-Ionen-Batterien sind preisgünstig und leistungsstark. Ein Team von der Technischen Universität Berlin hat an der EDDI Beamline von BESSY II untersucht, wie sich während des Zyklierens (operando) die Morphologie der Graphit-Elektroden reversibel verändert. Die 3D-Röntgentomographieaufnahmen kombiniert mit simultaner Diffraktion erlauben nun eine präzise Auswertung der Prozesse, insbesondere von Volumenveränderungen der Elektroden. Dies kann dazu beitragen, Graphitelektroden weiter zu optimieren.
- Grüner Wasserstoff: Auftrieb im Elektrolyten sorgt für KonvektionsströmungWasserstoff lässt sich klimaneutral mit Sonnenlicht produzieren. Aber auf dem Weg vom Labormaßstab zu einer großtechnischen Umsetzung gibt es noch Hürden. Nun hat ein Team am HZB eine Methode vorgestellt, um Strömungsprozesse im Elektrolyten sichtbar zu machen und mit einem Modell vorab zuverlässig zu simulieren. Die Ergebnisse sind hilfreich, um Design und Aufskalierung dieser Technologie zu unterstützen und wurden in der renommierten Zeitschrift Energy and Environmental Science veröffentlicht.
- Solarenergie: Cäsium-basierte anorganische Halogenid-Perowskite kartiertForscherinnen und Forscher am HZB haben verschiedene Zusammensetzungen von Cäsium-basierten Halogenidperowskiten (CsPb(BrxI1-x)3 (0 ≤ x ≤ 1)) gedruckt und untersucht. In einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 300 Celsius beobachten sie strukturelle Phasenübergänge, die die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Die Studie bietet eine schnelle und einfache Methode zur Bewertung neuer Zusammensetzungen von Perowskitmaterialien, um Kandidaten für Anwendungen in Dünnschichtsolarzellen und optoelektronischen Bauelementen zu identifizieren.
- Informationstechnologie: Besonderheiten von Germaniumtellurid auf der Nanoskala aufgedecktGermanium-Tellurid (GeTe) ist ein interessantes Material für die Spintronik. Nun hat ein deutsch-russisches Team an BESSY II gezeigt, wie sich die Spintextur in GeTe-Einkristallen durch ferroelektrische Polarisation innerhalb einzelner Nanodomänen umschalten lässt.
- Ordnung in der Unordnung: Dichtefluktuationen in amorphem Silizium entdecktErstmals hat ein Team am HZB mit Röntgen- und Neutronenstreuung an BESSY II und BER II in amorphem Silizium mit einer Auflösung von 0.8 Nanometern atomare Substrukturen identifiziert. Solche a-Si:H-Dünnschichten werden bereits seit Jahrzehnten in Solarzellen, TFT-Displays und Detektoren eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich drei unterschiedliche Phasen innerhalb der amorphen Matrix bilden, die Qualität und Lebensdauer der Halbleiterschicht dramatisch beeinflussen. Die Arbeit wird auf dem Titel der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters hervorgehoben.
- Theoretische Physik: Modellierung zeigt, welche Quantensysteme sich für Quantensimulationen eignenEine gemeinsame Forschungsgruppe um Prof. Jens Eisert von der Freien Universität Berlin und des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat einen Weg aufgezeigt, um die quantenphysikalischen Eigenschaften komplexer Festkörpersysteme zu simulieren. Und zwar mithilfe von komplexen Festkörpersystemen, die experimentell untersucht werden können. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) veröffentlicht.
- Solarer Wasserstoff: Maß für die Stabilität von PhotoelektrodenSonnenenergie kann zur Herstellung von Wasserstoff, einem vielseitigen Brennstoff, genutzt werden. Um dies durch elektrolytische Wasserspaltung zu erreichen, werden hochwertige Photoelektroden benötigt. Leider neigen die bekannten Materialien dazu, während des Prozesses zu korrodieren. Nun hat ein Team am HZB in internationaler Zusammenarbeit die Korrosionsprozesse von hochwertigen BiVO4-Photoelektroden untersucht. Sie beobachteten die Prozesse "in operando" (bei der elektrolytischen Wasserspaltung) während der Sauerstoff-Entwicklungsreaktion (OER). Diese Arbeit zeigt, wie die Stabilität von Photoelektroden und Katalysatoren verglichen und so auch verbessert werden kann.
- Nanomuster aus Protein-Molekülen unter dem Kryo-ElektronenmikroskopEin Team vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) konnte mit Kryo-Elektronenmikroskopie in einer Probe aus Proteinen regelmäßige, zweidimensionale Strukturen in der Form von Pascal-Dreiecken nachweisen. Die Proben wurden in einem Labor von chinesischen Kooperationspartnern synthetisiert. Die Methode hat Potenzial, um auch Energiematerialien neu zu entdecken.
- Perowskit-Materialien: Neutronen zeigen Zwillingsbildung in Halid-PerowskitenSolarzellen auf Basis von hybriden Halid-Perowskiten erreichen hohe Wirkungsgrade. Diese gemischt organisch-anorganischen Halbleiter werden in der Regel als dünne Filme aus Mikrokristallen produziert. Eine Untersuchung mit der Laue-Kamera an der Neutronenquelle BER II konnte nun aufklären, dass es beim Auskristallisieren auch bei Raumtemperatur zur Zwillingsbildung kommt. Dieser Einblick ist hilfreich, um Herstellungsverfahren von Halid-Perowskiten zu optimieren.
- Silizium-Perowskit-Tandemsolarzellen: Neue Anlagen ebnen den Weg zu einer industrienahen Produktion
Perowskite gelten als aussichtsreiche Materialien für Solarzellen, die zugleich kostengünstig herstellbar und sehr effizient sind. Sie eignen sich vor allem für Tandem-Solarzellen, die Zellen aus Silizium und Perowskit miteinander kombinieren. Dadurch wird das Sonnenlicht besonders umfassend zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt. Bislang lassen sich die Vorteile solcher Zellen nur in kleinem Maßstab im Labor nutzen. Mit zwei neuen hochinnovativen Fertigungsanlagen schaffen Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) nun die Grundlage für eine künftige Produktion im industriellen Maßstab.
- „Upconversion“ von Photonen bei schwacher Lichtintensität – der Schlüssel zu neuen Anwendungen in Energie- und BiotechnikDurch Umwandlung von energiearmen in energiereiche Photonen lässt sich der nutzbare Bereich des Lichtspektrums deutlich erweitern. Doch bisher gelang das nur bei hoher Lichtintensität. Durch die Kombination bestimmter Nanopartikel mit einer sogenannten Metaoberfläche konnten Wissenschaftler des HZB und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) den Effekt erstmals auch für relativ schwaches Licht nutzbar machen. Das ebnet den Weg für künftige Anwendungen in der Photovoltaik, zum Nachweis biologischer Substanzen oder als Messfühler für elektrische Felder.
- Molekulare Architektur: Neue Materialklasse für Energiespeicher von morgenForscher der Technischen Universität Berlin haben eine neue Familie von Halbleitern geschaffen, die vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) auf ihre Eigenschaften hin untersucht wurde. Den ersten Vertreter tauften sie auf den Namen TUB75. Das Material gehört zur Klasse der Metallorganischen Frameworks, kurz MOFs. Es könnte neue Perspektiven für die Energiespeicherung eröffnen. Die Arbeit wurde in Advanced Materials publiziert.
- Forscherteam liefert konkreten Ansatzpunkt, um die Leistung von CIGS-Solarzellen zu verbessernEin Forscherteam hat mithilfe von Elektronenmikroskopen und Computersimulationen ermittelt, warum es zu Verlusten in Dünnschichtsolarzellen kommt. Die Forschenden von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) geben konkrete Hinweise, wie sich der bereits hohe Wirkungsgrad von CIGS-Solarzellen verbessern lässt. Die Ergebnisse wurde in der Zeitschrift Nature Communication veröffentlicht.
- Mathematisches Werkzeug hilft, Quantenmaterialien rascher zu berechnenViele Quantenmaterialien lassen sich bislang kaum rechnerisch simulieren, weil die benötigte Rechenzeit zu groß wäre. Nun hat eine gemeinsame Forschergruppe an der Freien Universität Berlin und am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) einen Weg aufgezeigt, wie sich die Rechenzeiten deutlich verkürzen lassen. Dies könnte die Entwicklung von Materialien für künftige energieeffiziente IT-Technologie beschleunigen.
- Hoffnung auf bessere Batterien – Forscher verfolgen live das Laden und Entladen von Silizium-ElektrodenSilizium als Werkstoff für Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien verspricht eine deutliche Steigerung von deren Kapazität. Das Manko dieses Materials: Durch die Belastung beim Be- und Entladen wird es leicht beschädigt. Wissenschaftlern am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) ist es nun zum ersten Mal gelungen, diesen Prozess direkt und detailliert an kristallinen Silizium-Elektroden zu beobachten. Operando-Experimente am Speicherring BESSY II lieferten neue Erkenntnisse darüber, wie Brüche im Silizium entstehen – und wie sich das Material dennoch vorteilhaft einsetzen lässt.
- Neue Molekülbibliothek für systematische Suche nach WirkstoffenUm die systematische Entwicklung von Medikamenten zu beschleunigen, hat das MX-Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) mit der Drug Design Gruppe der Universität Marburg eine neue Substanzbibliothek aufgebaut. Sie besteht aus 1103 organischen Molekülen, die als Bausteine von neuen Wirkstoffen infrage kommen. Das MX-Team hat diese Bibliothek nun in Kooperation mit der FragMAX-Gruppe am MAX IV validiert. Die Substanzbibliothek des HZB steht weltweit für die Forschung zur Verfügung und spielt auch bei der Suche nach Wirkstoffen gegen SARS-CoV-2 eine Rolle.
- Robuste Hochleistungs-Datenspeicher durch magnetische AnisotropieDie neueste Generation von magnetischen Festplattenlaufwerken besteht aus magnetischen Dünnschichten, die zu den Invar-Materialien zählen und eine extrem robuste und hohe Datenspeicherdichte ermöglichen. Ein technologisch relevantes Material für solche HAMR-Datenspeicher sind Dünnschichten aus Eisen-Platin-Nanokörnern. Ein internationales Team um die gemeinsame Forschungsgruppe von Prof. Dr. Matias Bargheer am HZB und der Uni Potsdam hat nun erstmals experimentell beobachtet, wie in diesen Eisen-Platin-Dünnschichten eine besondere Spin-Gitter-Wechselwirkung die Wärmeausdehnung des Kristallgitters aufhebt. Die Arbeit ist in Science Advances publiziert.
- Perowskit-LED aus dem Drucker – auf dem Weg zu einem neuen Standard für die ElektronikEinem Team von Forschern des HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin ist es zum ersten Mal gelungen, Leuchtdioden (LEDs) aus einem hybriden Perowskit-Halbleitermaterial per Tintenstrahldruck herzustellen. Das Tor zu einer breiten Anwendung solcher Materialien in vielerlei elektronischen Bauelementen ist damit geöffnet. Der Durchbruch gelang den Wissenschaftlern mithilfe eines Tricks: dem „Impfen“ der Oberfläche mit bestimmen Kristallen.
- Nutzerforschung an BESSY II: Bildung eines 2D metastabilen Oxids in reaktiven Umgebungen
In vielen Anwendungen der Katalyse, bei chemischen Sensoren, Brennstoffzellen und Elektroden spielt das chemische Verhalten von Festkörperoberflächen eine wichtige Rolle. Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für chemische Energiekonversion hat an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II nun ein wichtiges Phänomen beschrieben, das auftreten kann, wenn Metalllegierungen reaktiven Umgebungen ausgesetzt werden.
- BESSY II: Experiment zeigt erstmals im Detail, wie Elektrolyte metallisch werdenEin internationales Team hat erstmals an BESSY II ein raffiniertes Experiment entwickelt, um die Bildung eines metallischen Leitungsbandes in Elektrolyten zu beobachten. Dafür stellten sie kryogene Lösungen aus flüssigem Ammoniak mit verschiedenen Konzentrationen von Alkali-Metallen her und untersuchten den Flüssigkeitsstrahl mit weichem Röntgenlicht. Äußerlich zeigt sich der Übergang von einzelnen Metall-Atomen in Lösung zu einem metallischen Verbund, indem die Farbe der Lösung von blau zu golden wechselt. Diesen Vorgang konnten sie nun durch die Messdaten an BESSY II im Detail analysieren. Die Arbeit ist in Science publiziert und erscheint sogar als Titelgeschichte.
- Katalysatoren: Effiziente Wasserstoffgewinnung mit StrukturRegenerativ erzeugter Wasserstoff gilt als ökologischer Rohstoff der Zukunft. Um ihn durch Elektrolyse effizient aus Wasser herzustellen, setzt die Forschung heute auch auf Perowskit-Oxide. Das Fachmagazin Journal of Physics: Energy hat Dr. Marcel Risch vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) eingeladen, den aktuellen Stand der Forschung zu skizzieren.
- Auf dem Weg zu bleifreien und stabilen Perowskit-SolarzellenDie besten Perowskit-Solarzellen schaffen zwar enorme Wirkungsgrade, enthalten aber giftiges Blei. Bleifreie Perowskit-Solarzellen erreichten bislang nur geringe Wirkungsgrade, die zudem schnell abnehmen. Eine neue Arbeit einer internationalen Kooperation zeigt nun, wie sich stabile Perowskit-Schichten herstellen lassen, die Zinn anstelle von Blei enthalten. Dabei schützen organische Verbindungen das Zinn vor Oxidation und sorgen für Stabilität.
- Zukünftige Informationstechnologien: Dreidimensionale Quanten-Spin-Flüssigkeit entdecktQuanten-Spin-Flüssigkeiten sind Kandidaten für den Einsatz in zukünftigen Informationstechnologien. Bisher sind Quanten-Spin-Flüssigkeiten meist nur in ein- oder zweidimensionalen magnetischen Systemen zu finden. Nun hat eine internationale Kooperation unter der Leitung eines HZB-Teams Kristalle aus PbCuTe2O6 mit Neutronenexperimenten untersucht. Sie fanden Spin-Flüssigkeits-Verhalten in drei Dimensionen, bedingt durch ein sogenanntes Hyper-Hyperkagome-Gitter. Die experimentellen Daten passen sehr gut zu theoretischen Simulationen, die am HZB durchgeführt wurden.
- Nutzerforschung an BESSY II: Einblick in das Auge der PflanzenPflanzen nutzen Licht nicht nur für die Photosynthese. Die Pflanzenzelle hat zwar keine Augen, kann aber dennoch Licht wahrnehmen und damit ihr Umfeld. Dabei spielen Phytochrome, bestimmte türkisfarbige Proteine, die zentrale Rolle. Wie genau sie funktionieren, ist noch unklar. Nun konnte das Team um den Pflanzenphysiologen Jon Hughes (Justus-Liebig-Universität Gießen) an BESSY II die dreidimensionale Architektur von verschiedenen pflanzlichen Phytochrom-Molekülen entschlüsseln. Dabei zeigt sich, wie Licht die Struktur des Phytochroms verändert, so dass die Zelle das Lichtsignal weiterleitet, um die Entwicklung der Pflanze entsprechend zu steuern.
- Nutzerforschung an BESSY II: Neue Materialien steigern die Effizienz in Ethanol-BrennstoffzellenEine Gruppe aus Brasilien hat mit einem HZB-Team eine neuartige Kompositmembran für Ethanol-Brennstoffzellen untersucht. Sie besteht aus dem Polymer Nafion, in das durch Schmelzextrusion Titanat-Nanopartikel eingebettet sind. An BESSY II konnten sie beobachten, wie die Nanopartikel in der Nafion-Matrix verteilt sind und wie sie die Protonenleitfähigkeit steigern.
- Neue Wechselwirkung zwischen Licht und Materie an BESSY II entdecktEin deutsch-chinesisches Team um Gisela Schütz vom MPI für Intelligente Systeme hat an BESSY II eine neue Wechselwirkung zwischen Licht und Materie entdeckt. Es gelang ihnen damit, nanometerfeine magnetische Wirbel in einer magnetischen Schicht zu erzeugen. Dabei handelt es sich um so genannte Skyrmionen, die für künftige Informationstechnologien interessant sind.
- Tandemsolarzellen-Weltrekorde: Neuer Zweig im NREL-ChartEigens für eine Entwicklung aus dem HZB gibt es nun in der Grafik für Solarzellen-Weltrekorde einen neuen Zweig. Die neue Weltrekord-Zelle besteht aus den Halbleitern Perowskit und CIGS, die zu einer monolithischen „zwei-Terminal“-Tandemzelle verschaltet sind. Aufgrund der verwendeten Dünnschichttechnologien überleben solche Tandemzellen im Weltall deutlich länger und können sogar auf biegsamen Folien produziert werden. Die neue Tandemzelle erreicht einen zertifizierten Wirkungsgrad von 24,16 Prozent.
- Neutronenforschung: Magnetische Monopole in Kagome-Spin-Eis-Systemen nachgewiesenMagnetische Monopole sind eigentlich unmöglich. Bei tiefen Temperaturen können sich jedoch in bestimmten Kristallen so genannte Quasiteilchen zeigen, die sich wie magnetische Monopole verhalten. Nun hat eine internationale Kooperation nachgewiesen, dass solche Monopole auch in einem Kagome-Spin-Eis-System auftreten. Ausschlaggebend waren unter anderem auch Messungen mit inelastischer Neutronenstreuung am Instrument NEAT der Berliner Neutronenquelle BER II*. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science erschienen.
- Festkörperphysik: Vorhersage der Quantenphysik experimentell nachgewiesenVor 90 Jahren postulierte der Physiker Hans Bethe, dass in bestimmten magnetischen Festkörpern ungewöhnliche Muster auftreten. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, solche Bethe-Strings erstmals experimentell nachzuweisen. Sie führten Neutronenstreuexperimente an verschiedenen Neutronenquellen durch, darunter auch Messungen am einzigartigen Hochfeldmagneten des BER II* am HZB. Die experimentellen Daten sind in hervorragender Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage von Bethe und beweisen einmal mehr die Leistungsfähigkeit der Quantenphysik.
- BESSY II: Millionenfach schnellerer Wechsel von zirkular polarisierten LichtpulsenEin Team aus Beschleunigerphysikern, Undulatorexperten und Experimentatoren hat am Speicherring BESSY II gezeigt, wie sich die Händigkeit (Helizität) von zirkular polarisierter Synchrotronstrahlung schneller umschalten lässt – und zwar bis zu einer Million Mal schneller als bisher. Sie nutzten dazu einen am HZB entwickelten elliptischen Doppel-Undulator und betrieben den Speicherring im sogenannten Two-Orbit-Modus. Dies ist eine besondere Betriebsart, die erst vor kurzem an BESSY II entwickelt wurde und die Basis für die schnelle Umschaltung liefert. Der ultraschnelle Wechsel der Lichthelizität ist vor allem für Untersuchungen von Prozessen in magnetischen Materialien interessant und wird schon seit langem von einer großen Nutzergemeinde erwartet.
- Coronavirus SARS-CoV2: BESSY II-Daten beschleunigen die Suche nach WirkstoffenEin Coronavirus hält die Welt in Atem. SARS-CoV-2 ist hochansteckend und kann schwere Lungenentzündung mit Atemnot (COVID-19) verursachen. Weltweit sucht die medizinische Forschung nach Möglichkeiten, wie man die Vermehrung der Viren mithilfe von Medikamenten verhindern kann. Ein Team der Universität Lübeck und am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) hat dafür einen vielversprechenden Ansatz gefunden. Mithilfe des hochintensiven Röntgenlichts der Berliner Synchrotronquelle BESSY II haben sie die dreidimensionale Architektur der viralen Hauptprotease von SARS-CoV-2 entschlüsselt. Die virale Hauptprotease ist an der Vermehrung des Virus beteiligt.
- Schnell und stark: Neue 2D-Materialien mit Talent zur EnergiespeicherungEine neue Materialklasse kann elektrische Energie sehr schnell speichern. Es handelt sich um zweidimensionale Titankarbide, so genannte MXene. Wie eine Batterie speichern sie durch elektrochemische Reaktionen große Mengen elektrischer Energie - aber im Gegensatz zu Batterien können sie in Sekundenschnelle geladen und entladen werden. In Zusammenarbeit mit der Drexel-Universität hat ein Team am HZB gezeigt, dass die Einlagerung von Harnstoffmolekülen zwischen den MXene-Schichten die Kapazität solcher "Pseudokondensatoren" um mehr als 50 Prozent erhöhen kann. An BESSY II haben sie analysiert, welche Veränderungen der MXene-Oberflächenchemie nach der Harnstoffeinlagerung dafür verantwortlich sind.
- Röntgenmikroskopie an BESSY II: Nanopartikel können Zellen verändernNanopartikel dringen leicht in Zellen ein. Wie sie sich dort verteilen und was sie bewirken, zeigen nun erstmals hochaufgelöste 3D-Mikroskopie-Aufnahmen an den Synchrotronlichtquellen BESSY II und ALBA. So reichern sich bestimmte Nanopartikel bevorzugt in bestimmten Organellen der Zelle an. Dadurch kann der Energieumsatz in der Zelle steigen. „Die Zelle sieht aus wie nach einem Marathonlauf, offensichtlich kostet es Energie, solche Nanopartikel aufzunehmen“, sagt Hauptautor James McNally.
- Nicht alle Kristalle lassen sich zum Ferromagnetismus zwingenMit einem äußeren Magnetfeld lassen sich normalerweise die winzigen magnetischen Momente in Festkörpern entlang des Außenfeldes ausrichten – so dass die Probe schließlich ferromagnetisch wird. Doch das trifft nicht auf jedes Material zu. Ein Team hat nun Kristalle aus einer Uranverbindung unter extrem hohen Magnetfeldern mit Neutronen untersucht und ein deutlich komplexeres Verhalten beobachtet. Die Experimente fanden am Hochfeldmagneten an der Neutronenquelle BER II des HZB statt, der ein konstantes Magnetfeld von bis zu 26 Tesla erzeugt. Dies ist etwa 500.000mal stärker als das Erdmagnetfeld. Weitere Experimente mit gepulsten Magnetfeldern bis zu 45 Tesla wurden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) durchgeführt.
- Batterieforschung: Mit Neutronen und Röntgenlicht die Alterung von Lithium-Batterien analysiertEin internationales Team hat mit Neutronen- und Röntgen-Tomographie die dynamischen Prozesse untersucht, die an den Elektroden in Lithium-Batterien stattfinden und zu Leistungsabbau führen. Mit einem neuen mathematischen Verfahren gelang es, die zu einer kompakten Rolle aufgewickelten Elektroden „virtuell zu entrollen“ und so tatsächlich zu beobachten, was an den Elektroden geschieht. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.
- Perowskit-Solarzellen: Internationaler Konsens über Alterungs-MessprotokolleExpertinnen und Experten aus 51 Forschungseinrichtungen, darunter auch aus dem HZB, haben sich nun auf die Verfahren geeinigt, um die Stabilität von Perowskit-Solarzellen zu messen und ihre Qualität zu bewerten. Die Konsenserklärung wurde in Nature Energy publiziert und gilt als Meilenstein für die weitere Entwicklung dieses neuen Solarzellen-Typs auf dem Weg zur industriellen Anwendung.
- Rekord: Wirkungsgrad von Perowskit-Tandemsolarzelle springt auf 29,15 ProzentIm Rennen um immer höhere Wirkungsgrade liegt ein HZB-Entwicklungsteam wieder vorne. Die Gruppen von Steve Albrecht und Bernd Stannowski haben eine Tandemsolarzelle aus den Halbleitern Perowskit und Silizium entwickelt, die 29,15 Prozent des eingestrahlten Lichts in elektrische Energie umwandelt. Dieser Wert ist offiziell durch das CalLab des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) zertifiziert. Damit ist die Überwindung der 30% Effizienz-Marke in greifbare Nähe gerückt.
- Pflanzen nehmen Blei aus Perowskit-Solarzellen stärker auf als erwartetBlei aus metall-organischen Perowskitverbindungen wird deutlich stärker von Pflanzen aufgenommen als beispielsweise Blei aus anorganischen Quellen. Dies zeigt eine Studie von HZB-Forscher Antonio Abate mit Partnern aus China und Italien, die in Nature communications veröffentlicht ist.
- Sehen, riechen, schmecken: Wie Biomoleküle in Sinneszellen funktionierenEin Team hat analysiert, wie sich das Biomolekül Rhodopsin nach der Aktivierung durch Licht verändert. Rhodopsin spielt beim Sehen eine zentrale Rolle, ist aber auch ein Prototyp für Rezeptoren in anderen Sinnesorganen. Ein neu entwickeltes Infrarotspektrometer an BESSY II hat es ermöglicht, diese Untersuchung erstmals unter natürlichen Bedingungen durchzuführen. Mit der neuen Methode lassen sich schnelle, irreversible Reaktionen mit nur einer einzigen Messung beobachten. Bislang mussten dafür tausende solcher Reaktionen ausgewertet werden. Viele biologische Prozesse sind jedoch irreversibel und lassen sich nicht zyklisch wiederholen.
- Topologische Materialien für die Informationstechnologie: Verlustfrei Signale übertragenNeue Experimente an BESSY II mit magnetisch dotierten Topologischen Isolatoren zeigen vielversprechende Möglichkeiten für eine verlustfreie Signalübertragung auf. Ein überraschendes Phänomen der Selbstorganisation hilft dabei. Zukünftig könnte es so möglich sein, Materialien zu entwickeln, die dieses Phänomen bei Raumtemperatur zeigen und sich als Q-Bit Recheneinheiten in einem Quantencomputer einsetzen lassen. Die Arbeit ist im renommierten Wissenschaftsjournal Nature publiziert.
- Krebsforschung an BESSY II: Bindungsmechanismen von therapeutischen Substanzen entschlüsseltIn Tumorzellen ist die DNA im Vergleich zu normalen Körperzellen verändert. Wie solche Veränderungen verhindert oder gehemmt werden können, ist ein spannendes Forschungsgebiet mit großer Relevanz für die Entwicklung von Krebsbehandlungen. Ein interdisziplinäres Team hat nun durch Proteinkristallographie an BESSY II die möglichen Bindungsmechanismen von bestimmten therapeutischen Substanzen aus der Gruppe der Tetrazolhydrazide an ein entscheidendes Protein in der Zelle analysiert.
- Perowskit-Solarzellen: Mögliche Ursache für hohe Wirkungsgrade aufgedecktEin HZB-Team hat durch kristallographische Analysen an der Synchrotronquelle Diamond Light Source (DLS) in Großbritannien erstmals nachgewiesen, dass Hybrid-Perowskite ohne Inversions-Zentren auskristallisieren. Durch Wechselwirkungen zwischen den organischen Molekülen und benachbarten Jod-Atomen können sich so ferroelektrische Domänen bilden, die über weitere Effekte höhere Wirkungsgrade in Solarzellen ermöglichen. In anorganischen Perowskiten kann diese ferroelektrische Domänenbildung nicht stattfinden.
- Röntgenanalyse an BESSY II zeigt, wie Malaria-Wirkstoffe die Erreger bekämpfenMalaria zählt zu den bedrohlichsten Infektionserkrankungen weltweit. Nun konnte ein internationales Team Malaria-Erreger in roten Blutkörperchen unter natürlichen Bedingungen mit Röntgenmikroskopie an BESSY II und den Synchrotonquellen ALBA und ESRF untersuchen. Die Auswertung zeigt, über welche Mechanismen Wirkstoffe die Erreger angreifen. Dies könnte dazu beitragen, Wirkstoffe und Therapien gezielt zu verbessern.
- „Tanzmuster“ von Skyrmionen vermessenIn bestimmten magnetischen Materialien wie Cu2OSeO3 entstehen magnetische Wirbel, so genannte Skyrmionen. Diese Skyrmionen lassen sich durch niedrige elektrische Ströme kontrollieren, was eine energiesparende Datenverarbeitung ermöglichen könnte. Nun ist es einem Team gelungen, an der VEKMAG-Station an BESSY II eine neue Technik zu entwickeln, um diese Wirbel präzise zu vermessen und dabei die drei unterschiedlichen Eigenschwingungen zu beobachten.
- So schnell wie noch nie – Neutronentomographie zeigt, wie Wurzeln "trinken"Ein Team von Forschenden aus Potsdam, Berlin und Grenoble konnte mit ultraschneller 3D-Neutronenbildgebung den Transport von Wasser im Boden und die anschließende Aufnahme durch die Wurzeln von Lupinen visualisieren. Die ultrakurze Neutronentomographie, die am HZB entwickelt wurde, erzeugt alle 1,5 Sekunden eine vollständige 3D-Aufnahme und ist damit siebenmal so schnell wie zuvor. Die Erkenntnisse sind hilfreich, um die Wasser- und Nährstoffaufnahme von Nutzpflanzen besser zu verstehen. Die Messungen fanden an der Neutronenquelle des Instituts Laue Langevin in Grenoble, Frankreich statt. Die Methode ist auch für die Analyse von Transportprozessen in anderen Materialien interessant.
- Neuer Probenhalter für die ProteinkristallographieEin HZB-Team hat einen neuartigen Probenhalter entwickelt, der die Messung von Proteinkristallen deutlich erleichtert. In einem kurzen Video zeigen die Forscher, wie Proteine in Lösung auf den neuen Probenhaltern selbst auskristallisieren und im Anschluss an den MX-Beamlines von BESSY II analysiert werden können. Ein Patent ist bereits erteilt und ein Hersteller gefunden.
- Weltrekord für Perowskit-CIGS-Tandem-SolarzelleEin Team um Prof. Steve Albrecht aus dem HZB stellt auf der weltgrößten internationalen Fachkonferenz EU PVSEC in Marseille am 11. September 2019 einen neuen Weltrekord für eine Tandem-Solarzelle vor. Die Solarzelle kombiniert die Halbleitermaterialien Perowskit und CIGS und erreicht damit einen zertifizierten Wirkungsgrad von 23,26 Prozent. Ein Grund für diesen Erfolg liegt in einer Zwischenschicht aus organischen Molekülen, die sich selbstorganisiert so anordnen, dass auch raue Halbleiter-Oberflächen lückenlos bedeckt werden. Dafür wurden zwei Patente eingereicht.
- Nanopartikel in Lithium-Schwefel-Akkus mit Neutronen aufgespürtEin HZB-Team hat erstmals mit Hilfe von Neutronenexperimenten präzise analysiert, wie und wo sich Nanopartikel aus Lithiumsulfid und Schwefel im Lauf der Ladezyklen an den Batterie-Elektroden abscheiden. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus zu erhöhen.
- Mit Mathe Zeit sparen: Design-Werkzeug für korkenzieherförmige Nano-AntennenErstmals hat ein HZB-Team mathematisch exakt formuliert, wie korkenzieherförmige Nano-Antennen mit Licht wechselwirken. Mit dem mathematischen Werkzeug lässt sich die jeweils geeignete Geometrie berechnen, die eine Nano-Antenne für konkrete Anwendungen in der Sensorik oder in der Informationstechnologie besitzen muss.
- Tomographie-Weltrekord: Zuschauen, wie Metall aufgeschäumt wirdMit einem am HZB entwickelten Rotationstisch hat ein internationales Forscher-Team an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz, SLS, einen neuen Rekord erreicht: Mit 208 dreidimensionalen Röntgenaufnahmen (Tomographien) pro Sekunde konnten sie die dynamischen Prozesse beim Aufschäumen von flüssigem Aluminium dokumentieren. Im Fachjournal Nature Communications wird die Methode vorgestellt.
- Archäologie an BESSY II: „Geheimtinte“ auf antikem Papyrus vom Nil enthülltForscher des Ägyptischen Museums und Papyrussammlung, der Berliner Universitäten und des Helmholtz-Zentrums Berlin untersuchten ein kleines Papyrus-Stück, das vor zirka 100 Jahren auf der Nil-Insel Elephantine ausgegraben wurde. Unter anderem nutzten die Forschenden zerstörungsfreie Methoden an BESSY II. Die Arbeit, über die Forscher im Journal of Cultural Heritage berichteten, ist für weitere Analysen der Papyrussammlung in Berlin und darüber hinaus wegweisend.
- Beschleunigerphysik: Alternatives Material für supraleitende Hochfrequenzkavitäten getestetSupraleitende Hochfrequenzkavitäten können Elektronenpakete in modernen Synchrotronquellen und Freien Elektronenlasern mit extrem hoher Energie ausstatten. Zurzeit bestehen sie aus reinem Niob. Eine internationale Kooperation hat nun untersucht, welche Vorteile eine Beschichtung mit Niob-Zinn im Vergleich zu reinem Niob bietet.
- Älteste vollständig erhaltene Lilie entdecktBereits vor 115 Millionen Jahren waren tropische Blütenpflanzen offenbar sehr vielfältig und zeigten alle typischen Merkmale. Zu diesem Schluss kommt ein internationales Forscherteam unter Leitung von Clément Coiffard, Museum für Naturkunde Berlin. Das Team berichtet in der renommierten Fachzeitschrift Nature Plants über die älteste vollständig erhaltene Lilie, Cratolirion bognerianum, die an einem Fundort im heutigen Brasilien entdeckt wurde. Mit Hilfe von 3D-Computertomographien am Helmholtz-Zentrum Berlin ließen sich auch Details auf der Rückseite der fossilisierten Pflanze analysieren. Die Ergebnisse werfen neue Fragen über die Rolle der Tropen bei der Entwicklung damaliger und heutiger Ökosysteme auf.
- Ladungstransfer innerhalb von Übergangsmetall-Farbstoffen analysiertIn farbstoffbasierten Solarzellen sorgen Übergangsmetall-Komplexe dafür, dass Licht in elektrische Energie umgewandelt wird. Bisher ging man davon aus, dass innerhalb des Moleküls eine räumliche Ladungstrennung stattfindet. Dass dies eine zu simple Beschreibung des Prozesses ist, zeigt eine Analyse an BESSY II. Erstmals hat dort ein Team die fundamentalen elektronischen Prozesse rund um das Metallatom und seine Liganden untersucht. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie, International Edition“ erschienen und stellt das Titelbild.
- Ultraschneller Magnetismus: Elektron-Phonon-Wechselwirkungen an BESSY II analysiertWie schnell kann ein Magnet seine Ausrichtung ändern und was sind die mikroskopischen Mechanismen? Diese Fragen sind für die Entwicklung von Datenspeichern und Computerchips von größter Bedeutung. Jetzt ist es einem HZB-Team am BESSY II erstmals gelungen, den wichtigsten mikroskopischen Prozess des ultraschnellen Magnetismus experimentell zu beobachten. Die zu diesem Zweck entwickelte Methodik kann auch zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Spins und Gitterschwingungen in Graphen, Supraleitern oder anderen (Quanten-)Materialien verwendet werden.
- Organische Elektronik: Neuer Halbleiter aus der Familie der KohlenstoffnitrideTeams der Humboldt-Universität und am Helmholtz-Zentrum Berlin haben ein neues Material aus der Familie der Kohlenstoffnitride untersucht. Das Triazin-basierte graphitische Kohlenstoffnitrid (TGCN) ist ein Halbleiter, der sich gut für Anwendungen in der Optoelektronik eignen sollte. Die Struktur ist zweidimensional und erinnert an Graphen. Anders als beim Graphen ist die Leitfähigkeit jedoch senkrecht zu den Ebenen 65mal höher als in den Ebenen selbst.
- Laserinduzierte Spindynamik in Ferrimagneten: Wohin geht der Drehimpuls?Durch intensive Laserpulse kann die Magnetisierung eines Materials sehr schnell manipuliert werden. Magnetisierung wiederum ist fundamental mit dem Drehimpuls der Elektronen im Material verbunden. Ein Forscherteam des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) konnte nun an BESSY II den Drehimpulstransfer in einer ferrimagnetischen Eisen-Gadolinium-Legierung im Detail verfolgen. Dabei gelang es ihnen, am Femtoslicing-Experiment bei BESSY II die ultraschnelle optische Entmagnetisierung zu vermessen und deren grundlegende Prozesse und Geschwindigkeitsgrenzen zu verstehen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.
- Photokathoden aus Kupferoxid: Laserexperiment zeigt Ursachen für hohe VerlusteKupferoxid könnte in Solarzellen oder als Photokathode für die solare Energieumwandlung theoretisch hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Praktisch aber kommt es zu großen Verlusten. Nun konnte ein Team am HZB mit einem raffinierten Femtosekunden-Laserexperiment aufklären, wo diese Verluste stattfinden: Sie treten weniger an den Grenzflächen auf, sondern vielmehr bereits im Innern des kristallinen Materials. Diese Ergebnisse geben Hinweise, um Kupferoxid und andere Metalloxide für Anwendungen als Energiematerialien zu optimieren.
- 3D-Tomographien zeigen, wie Lithium-Akkus alternLithium-Akkus verlieren mit der Zeit an Kapazität. Bei jeder neuen Aufladung können sich Mikrostrukturen an den Elektroden bilden, die die Kapazität weiter reduzieren. Nun hat ein HZB-Team zusammen mit Batterieforschern aus dem Forschungszentrum Jülich, der Universität Münster und Partnern aus Forschungseinrichtungen in China den Prozess der Degradation von Lithium-Elektroden erstmals im Detail dokumentiert. Dies gelang ihnen mithilfe eines 3D-Tomographieverfahrens mit Synchrotronstrahlung an BESSY II (HZB) sowie am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG). Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Materials Today veröffentlicht (Open Access).
- Anorganische Perowskit-Absorber für den Einsatz in Dünnschicht-SolarzellenEinem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin ist es gelungen, durch Ko-Verdampfung anorganische Perowskit-Dünnschichten bei moderaten Temperaturen herzustellen – ein Nachtempern bei hohen Temperaturen entfällt. Dadurch lassen sich Dünnschichtsolarzellen aus diesem Material deutlich leichter herstellen. Anorganische Perowskite sind im Gegensatz zu den hybriden metallorganischen Perowskiten thermisch stabiler. Die Arbeit ist im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht.
- Thermoelektrika: Neue Einblicke ins Rekordmaterial ZinnselenidBei den Thermoelektrika könnte Zinnselenid die bisherigen Rekordhalter aus Wismuttellurid an Effizienz deutlich übertreffen. Allerdings ist der thermoelektrische Effekt in Zinnselenid nur bei Temperaturen oberhalb von 500 Grad so enorm. Nun zeigen Messungen an den Synchrotronquellen BESSY II und PETRA III, dass sich Zinnselenid auch bei Raumtemperatur als Thermoelektrikum nutzen lässt – sofern man hohen Druck anlegt.
- „Molekulare Schere“ für den PlastikmüllEin Team der Universität Greifswald und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) hat an BESSY II die Struktur eines wichtigen Enzyms ("MHETase") entschlüsselt. Die MHETase wurde in einem Bakterium entdeckt und ist in der Lage, zusammen mit einem zweiten Enzym, der PETase, den weit verbreiteten Kunststoff PET in seine Grundbausteine zu zerlegen. Die 3D-Struktur der MHETase ermöglichte es den Forschern bereits, die Aktivität dieses Enzyms gezielt zu optimieren, um es zusammen mit der PETase für das nachhaltige Recycling von PET zu nutzen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
- Katalysatorforschung für Solare Brennstoffe: Amorphes Molybdänsulfid funktioniert am bestenFür die Produktion von Wasserstoff mit Sonnenlicht werden effiziente und preisgünstige Katalysatoren gebraucht. Molybdänsulfide gelten als gute Kandidaten. Nun hat ein Team am HZB aufgeklärt, welche Prozesse während der Katalyse an Molybdänsulfiden ablaufen und wieso ausgerechnet amorphes Molydänsulfid am besten funktioniert. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal ACS-Catalysis veröffentlicht.
- HZB an Sonderausgabe zu Ultraschneller Dynamik mit Röntgenmethoden beteiligtIn der jetzt erschienenen Sonderausgabe der „Philosophical Transactions of the Royal Society of London“ berichten international ausgewiesene Experten über neue Entwicklungen bei Röntgenquellen und ultraschnellen zeitaufgelösten Experimenten. Auch HZB-Physiker wurden zu Beiträgen aufgefordert und haben geliefert.
- Röntgenanalyse von Kohlenstoff-Nanostrukturen hilft beim MaterialdesignNanostrukturen aus Kohlenstoff sind äußerst vielseitig: Sie können in Batterien und Superkondensatoren Ionen aufnehmen, Gase speichern oder Wasser entsalzen. Wie gut sie diese Aufgaben meistern, hängt von Größe und Form der Nanoporen ab. Über die Temperatur während der Synthese lassen sich die Nanoporen dabei stark verändern. Bisher war es nur möglich, Form, Größe sowie die Verteilung der Nanoporen ungefähr abzuschätzen. Eine neue Studie zeigt nun, dass sich solche Informationen direkt und zuverlässig mit Hilfe der Kleinwinkel-Röntgenstreuung gewinnen lassen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Carbon veröffentlicht.
- Wasser ist homogener als gedachtUm die bekannten Anomalien in Wasser zu erklären, gehen manche Forscher davon aus, dass Wasser auch bei Umgebungsbedingungen aus einer Mischung von zwei Phasen besteht. Neue röntgenspektroskopische Analysen an BESSY II, der ESRF und der Swiss Light Source zeigen jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Bei Raumtemperatur und normalem Druck bilden die Wassermoleküle ein fluktuierendes Netz mit durchschnittlich je 1,74 ± 2.1% Donator- und Akzeptor-Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül, die eine tetrahedrische Koordination zwischen nächsten Nachbarn ermöglichen.
- Grüne Spintronik: Mit Spannung Superferromagnetismus erzeugenEin HZB-Team hat zusammen mit internationalen Partnern an der Lichtquelle BESSY II ein neues Phänomen in Eisen-Nanokörnern auf einem ferroelektrischen Substrat beobachtet: Die magnetischen Momente der Eisenkörner richten sich superferromagnetisch aus, sobald eine elektrische Spannung anliegt. Der Effekt funktioniert bei Raumtemperatur und könnte zu neuen Materialien für IT-Bauelemente und Datenspeicher führen, die weniger Energie verbrauchen.
- Hauchdünn und extrem effizient: Dünnschicht-Tandemzelle aus Perowskit- und CIGSe-HalbleiternEin HZB-Team hat eine Tandem-Solarzelle mit reinen Dünnschicht-Solarzellen aus Perowskit und CIGSe hergestellt und charakterisiert. Dabei setzten sie auf ein einfaches, robustes Produktionsverfahren, das sich auch für die Aufskalierung auf große Flächen eignet. Die Tandem-Solarzelle besitzt einen sehr hohen Wirkungsgrad von 21.6 %. Durch weitere Optimierung könnte sie Wirkungsgrade über 30 % erreichen.
- Batterien mit Siliziumanoden: Neutronenexperimente zeigen, wie Oberflächenstrukturen die Kapazität reduzierenTheoretisch könnten Anoden aus Silizium zehnmal mehr Lithium-Ionen speichern als die Graphit-Anoden, die seit vielen Jahren in kommerziellen Lithium-Batterien eingesetzt werden. Doch bisher sinkt die Kapazität von Silizium-Anoden mit jedem weiteren Lade-Entladezyklen stark ab. Nun hat ein HZB-Team mit Neutronenexperimenten am BER II in Berlin und am Institut Laue-Langevin in Grenoble aufgeklärt, was an der Oberfläche der Siliziumanode während des Aufladens passiert und welche Prozesse die Kapazität reduzieren.
- Klimawandel: Was könnte künstliche Photosynthese beitragen, um die globale Erwärmung zu begrenzen?Wenn die CO2-Emissionen nicht rasch genug sinken, muss künftig CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden, um die globale Erwärmung zu begrenzen. Nicht nur Aufforstung oder Biomasse, sondern auch neue Technologien für künstliche Photosynthese könnten dazu beitragen. Ein HZB-Physiker und eine Forscherin der Universität Heidelberg haben überschlagen, welche Flächen solche Lösungen benötigen. Die künstliche Photosynthese könnte CO2 zwar effizienter binden als das natürliche Vorbild, aber noch gibt es keine großen und langzeitstabilen Module. Ihre Berechnungen veröffentlichte das Team in „Earth System Dynamics“.
- Neutronenforschung hilft bei der Entwicklung von zerstörungsfreien PrüfverfahrenMaterialermüdung zeigt sich häufig zuerst daran, dass im Innern des Materials Bereiche mit stark unterschiedlichen Eigenspannungen aneinandergrenzen. An der Neutronenquelle BER II am HZB hat ein Team der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) die Eigenspannungen von Schweißnähten aus ferromagnetischem Stahl analysiert. Die Ergebnisse helfen zerstörungsfreie elektromagnetische Prüfverfahren zu verbessern.
- Meilenstein für bERLinPro: Photokathode mit hoher QuanteneffizienzEin Team am HZB hat den Herstellungsprozess von Photokathoden optimiert, so dass diese nun hohe Quanteneffizienz besitzen. Damit stehen geeignete Photokathoden zur Verfügung, um 2019 den ersten Elektronenstrahl in bERLinPro zu erzeugen.
- Selbstorganisierte, molekulare Monolagen für effiziente Perowskit-SolarzellenEin Team am HZB hat ein neues Verfahren entdeckt, um effiziente Kontaktschichten in Perowskit-Solarzellen zu realisieren: Es basiert auf Molekülen, die sich selbstorganisierend anordnen und eine Monolage bilden. Die Studie wurde in Advanced Energy Materials publiziert und ist auf dem Front-Cover des Journals erschienen.
- Übergangsmetallkomplexe: Gemischt geht's besserEin Team hat an BESSY II untersucht, wie unterschiedliche Eisenkomplex-Verbindungen Energie aus eingestrahltem Licht verarbeiten. Dabei konnten sie zeigen, warum bestimmte Verbindungen das Potenzial haben, Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Die Ergebnisse sind für die Entwicklung von organischen Solarzellen interessant. Die Studie wird auf dem Cover der Fachzeitschrift PCCP angekündigt.
- Neue Rekorde bei Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen durch verbesserten LichteinfangDurch mikrostrukturierte Schichten konnte ein HZB-Team den Wirkungsgrad von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen auf aktuell 25,5 Prozent steigern, dem höchsten Wert, der bis jetzt publiziert werden konnte. Gleichzeitig gelang es mit Hilfe von rechnerischen Simulationen, die Lichtumwandlung in verschiedenen Zelldesigns zu untersuchen. Diese Modellierungen ermöglichen die Optimierung des Lichtmanagements sowie detaillierte Ertragsanalysen. Die Studie wurde nun in Energy & Environmental Science publiziert.
- Graphen auf dem Weg zur SupraleitungDoppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.
- Nanodiamanten als PhotokatalysatorenDiamant-Nanomaterialien gelten als heiße Kandidaten für günstige Photokatalysatoren. Sie lassen sich durch Licht aktivieren und können dann bestimmte Reaktionen zwischen Wasser und CO2 beschleunigen und klimaneutrale „solare Brennstoffe“ erzeugen. Das EU-Projekt DIACAT hat nun solche Diamant-Materialien mit Bor dotiert und an BESSY II gezeigt, wie dies die photokatalytischen Eigenschaften deutlich verbessern könnte.
- Blauer Phosphor – jetzt erstmals vermessen und kartiertDie Existenz von „Blauem“ Phosphor war bis vor kurzem reine Theorie: Nun konnte ein HZB-Team erstmals Proben aus blauem Phosphor an BESSY II untersuchen und über ihre elektronische Bandstruktur bestätigen, dass es sich dabei tatsächlich um diese exotische Phosphor-Modifikation handelt. Blauer Phosphor ist ein interessanter Kandidat für neue optoelektronische Bauelemente. Die Ergebnisse sind nun in Nano Letters publiziert.
- Neutronen tasten Magnetfelder im Innern von Proben abMit Hilfe einer neu entwickelten Neutronen-Tomographie-Methode hat ein HZB-Team erstmals den Verlauf von magnetischen Feldlinien im Innern von Materialien abbilden können. Die „Tensorielle Neutronen-Tomographie“ verspricht neue Einblicke in Supraleiter, Batterie-Elektroden und andere Energiematerialien.
- HZB-Forscher finden Weg, die Wirkungsgrad-Grenze für Silizium-Solarzellen zu erhöhenDer Wirkungsgrad einer Solarzelle ist eine ihrer wichtigsten Kenngrößen. Er gibt an, wieviel Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die theoretische Grenze für Silizium-Solarzellen liegt aufgrund physikalischer Materialeigenschaften bei 29,3 Prozent. Im Fachjournal Materials Horizons beschreiben Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zusammen mit internationalen Kollegen, wie diese Grenze aufgehoben werden kann. Der Trick: sie bauen organische Schichten in die Solarzelle ein. Diese wandeln die Energie der hochenergetischen Photonen (grünes und blaues Licht) so um, dass sich die Stromausbeute in diesem Energiebereich verdoppelt.
- Maschinelles Lernen hilft, Photonik-Anwendungen zu optimierenPhotonische Nanostrukturen erhöhen nicht nur die Effizienz von Solarzellen, sondern verbessern auch die Wirksamkeit von optischen Sensoren, die zum Beispiel als Krebsmarker verwendet werden. Mit Computersimulationen und dem Einsatz von maschinellem Lernen hat nun ein Team am HZB gezeigt, wie sich das Design solcher Nanostrukturen gezielt optimieren lässt. Die Ergebnisse sind in Communications Physics publiziert.
- Newsletter und HighlightberichtVor genau zwanzig Jahren ist BESSY II in Betrieb gegangen. Im aktuellen September-Newsletter, den wir diese Woche verschicken, stellen wir die Jubiläums-Webseite vor, berichten über den neuen Highlightbericht 2017 und vermelden Erfolge im Technologietransfer. Haben Sie sich schon angemeldet für den Newsletter?
- Patentierte Nanostruktur für Solarzellen: Raue Optik, glatte OberflächeKristalline Dünnschichtsolarzellen aus Silizium sind preisgünstig und schaffen Wirkungsgrade von gut 14 Prozent. Sie könnten allerdings noch mehr leisten, wenn ihre glänzenden Oberflächen weniger Licht reflektieren würden. Eine raffinierte, neue Lösung für dieses Problem hat ein Team um Prof. Dr. Christiane Becker vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) nun patentieren lassen.
- Zukünftige Informationstechnologien: Wärmetransport auf der Nanoskala unter die Lupe genommenEin Forscherteam aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität Potsdam hat den Wärmetransport in einem Modellsystem aus nanometerdünnen metallischen und magnetischen Schichten untersucht. Ähnliche Systeme sind Kandidaten für künftige hocheffiziente Datenspeicher, die durch Laserpulse lokal erhitzt und neu beschrieben werden können (Heat-Assisted Magnetic Recording). Experimente mit kurzen Röntgenpulsen zeigten nun, dass sich in dem Modellsystem die Wärme hundertmal langsamer als erwartet verteilt. Die Ergebnisse sind in Nature Communications publiziert.
- Weltrekord: Schnellste 3D-Tomographien an BESSY IIEin HZB-Team hat an der EDDI-Beamline an BESSY II einen raffinierten Präzisions-Drehtisch entwickelt und mit einer besonderen, schnellen Optik kombiniert. Damit konnten sie die Porenbildung in Metall-Körnern während des Aufschäumens mit 25 Tomographien pro Sekunde dokumentieren – ein Weltrekord.
- Einblick in Verlustprozesse in Perowskit-Solarzellen ermöglicht Verbesserung der EffizienzIn Perowskit-Solarzellen gehen Ladungsträger vor allem durch Rekombination an Defekten an den Grenzflächen verloren. Rekombination an Defekten im Inneren der Perowskit-Schicht begrenzt dagegen die Leistungsfähigkeit der Zellen gegenwärtig nicht. Diese interessante Einsicht konnten Teams der Universität Potsdam und am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) nun mit quantitativ äußerst genauen Photolumineszenz-Messungen an 1 cm2 großen Perowskit-Absorberschichten gewinnen. Ihre Ergebnisse tragen zur gezielten Verbesserung von Perowskit-Solarzellen bei und sind nun in Nature Energy publiziert.
- Elektronische Prozesse während der Katalyse mit neuartigem Röntgen-Spektroskopie-Verfahren beobachtetEinem internationalen Team ist an BESSY II ein Durchbruch gelungen. Erstmals konnten sie elektronische Prozesse an einem Übergangsmetall im Detail untersuchen und aus den Messdaten zuverlässige Rückschlüsse auf deren katalytische Wirkung ziehen. Ihre Ergebnisse sind hilfreich, um gezielt katalytische Systeme, in deren Zentren Übergangmetalle stehen, für zukünftige Anwendungen zu entwickeln. Die Arbeit ist nun in Chemical Science, dem Open Access Journal der Royal Society of Chemistry, veröffentlicht.
- Wissenstransfer: Neues Standardwerk zu Energietechnologien in DeutschlandVertreter des Wuppertal Instituts haben dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) einen mehrbändigen Bericht zu Energietechnologien übergeben. Dabei haben Experten aus dem HZB-Institut PVcomB am Themenfeld Photovoltaik mitgewirkt. Im Herbst verabschiedet die Bundesregierung das neue 7. Energieforschungsprogramm (EFP). Der Bericht liefert eine wissenschaftliche Basis für die Entwicklung des Programms.
- Zukünftige Informationstechnologie: Schritt für Schritt aufgeklärt, was bei plötzlicher Erwärmung in Magneten passiertMagnetische Festkörper können sich bei Erhitzung entmagnetisieren. Trotz jahrzehntelanger Forschung war bisher unklar, wie dieser Prozess im Detail abläuft. Nun hat eine internationale Gruppe erstmals Schritt für Schritt beobachtet, wie sich bei plötzlicher Erhitzung die magnetische Ordnung in einem ferrimagnetischen Isolator verändert. Das Ergebnis: Die magnetische Ordnung ändert sich auf zwei Zeitskalen. Der erste Prozess ist überraschend schnell und benötigt nur eine Pikosekunde, während der zweite Prozess 100.000 mal länger dauert. Diese Einsicht könnte dazu beitragen, die Schaltgeschwindigkeit in magnetischen Speichermedien um mindestens den Faktor 1000 zu erhöhen. Die Arbeit ist in Science Advances publiziert.
- Neuer Weltrekord bei der direkten solaren WasserspaltungIn einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff als Speichermedium eine wichtige Rolle spielen. Einem internationalen Forscher-Team ist es jetzt gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung auf 19 Prozent zu steigern. Sie kombinierten dafür eine Tandem-Solarzelle aus III-V-Halbleitern mit Rhodium-Nanopartikeln und kristallinem Titandioxid. An der Forschungsarbeit waren Teams aus dem California Institute of Technology, der University of Cambridge, der TU Ilmenau und dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE beteiligt. Ein Teil der Experimente fand am Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin statt.
- Silizium-Heterojunction-Solarzelle erzielt 23,1 Prozent WirkungsgradForschende am Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik Berlin (PVcomB) haben Silizium-Heterojunction (SHJ)-Solarzellen mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von über 23 Prozent (auf 4 cm² Zellfläche) entwickelt. Dieses Ergebnis präsentierte Dr. Anna Morales vom PVcomB auf der Photovoltaik-Weltkonferenz (WCPEC-7) im Juni 2018 in Hawaii.
- Wirkungsgrad von 25,2 % für Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzelle zertifiziertEine 1 cm2 Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzelle erreicht einen Wirkungsgrad von 25,2%. Diese Neuigkeit wurde diese Woche auf einer Fachkonferenz in Hawaii, USA, vorgestellt. Die Zelle wurde gemeinsam vom HZB, der Universität Oxford und Oxford PV - The Perovskite CompanyTM entwickelt. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat den Wirkungsgrad zertifiziert.
- Neutronentomographie: Einblick ins Innere von Zähnen, Wurzelballen, Batterien und BrennstoffzellenEinen umfassenden Überblicksbeitrag über bildgebende Verfahren mit Neutronen hat ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Europäischen Spallationsquelle ESS im renommierten Fachjournal Materials Today (Impaktfaktor 21,6) publiziert. Die Autoren berichten über die neuesten Entwicklungen in der Neutronentomographie. An Beispielen zeigen sie die Einsatzmöglichkeiten dieser zerstörungsfreien Methode auf. Neutronentomographien haben Durchbrüche in der Zahnmedizin, Kunstgeschichte, Pflanzenphysiologie, Paläobiologie, Batterieforschung oder Werkstoffanalyse ermöglicht.
- Publikation aus dem Helmholtz Virtuellen Institut Mico ausgezeichnetDas Helmholtz Virtuelle Institut MiCo bietet eine Plattform, auf der das Helmholtz-Zentrum Berlin mit Universitäten und anderen Partnern gemeinsam zu Mikrostrukturen für Dünnschichtsolarzellen forscht. Nun hat die Fachzeitschrift „Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering“ eine Publikation, die im Rahmen von MiCo entstanden ist, als Highlight des Jahres 2017 ausgewählt.
- Laser erzeugt Magnet – und radiert ihn wieder ausMit einem Laserstrahl in einer Legierung magnetische Strukturen zu erzeugen und anschließend wieder zu löschen – das gelang Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität von Virginia in Charlottesville, USA. Der überraschende Effekt ist zudem reversibel. Da Laser in der Industrie weit verbreitet sind, könnten sich für die Materialbearbeitung, für optische Technologien oder die Datenspeicherung ganz neue Perspektiven eröffnen.
- Experiment an BESSY II zeigt, wie der Kompass in magnetisch empfindlichen Bakterien funktioniertBakterien sind ungeheuer vielfältig, nicht nur von Gestalt, sondern auch in ihren Eigenschaften. Magnetotaktische Bakterien können mit Hilfe von magnetischen Nanopartikeln das Erdmagnetfeld „spüren“. Nun hat eine Kooperation aus spanischen Teams und einer Gruppe am Helmholtz-Zentrum Berlin den inneren Kompass in Magnetospirillum gryphiswaldense an der Synchrotronquelle BESSY II untersucht. Die Ergebnisse können für die Entwicklung von biomedizinischen Anwendungen wie Nanorobotern und Nanosensoren nützlich sein.
- Solarzellen aus Kesteriten: Germanium statt Zinn verspricht bessere optoelektronische EigenschaftenDurch gezielte Veränderungen der Zusammensetzung von Kesterit-Halbleitern lässt sich ihre Eignung als Absorbermaterial in Solarzellen verbessern. Wie ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin zeigte, gilt dies besonders für Kesterite, in denen Zinn durch Germanium ersetzt wurde. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten die Proben mit Hilfe von Neutronenbeugung am BER II und weiteren Methoden. Die Arbeit wurde für das Titelblatt der Zeitschrift CrystEngComm ausgewählt.
- Neuer Betriebsmodus erstmals im Nutzerbetrieb an BESSY II erfolgreich getestetDie erste “Twin Orbit Nutzertestwoche” im Februar 2018 war ein großer Erfolg und verdeutlicht, dass der Modus bei weiterer Entwicklung zukünftig regelmäßig im Nutzerbetrieb angeboten werden könnte. Im Twin Orbit Modus kreisen Elektronenpakete auf zwei unterschiedlichen Umlaufbahnen, ohne sich zu stören. Der Vorteil: So lassen sich ganz unterschiedliche Anforderungen der Messgäste an die Zeitstruktur der Photonenpulse gleichzeitig erfüllen. Außerdem bietet der Twin Orbit Modus eine elegante Möglichkeit, beim Upgrade auf BESSY VSR lange und kurze Lichtpulse zu trennen.
- Solarer Wasserstoff: Nanostrukturierung erhöht die Effizienz von Metall-freien Photokatalysatoren um den Faktor ElfPolymere Kohlenstoffnitride entfalten unter Sonnenlicht eine katalytische Wirkung, die sich für die Produktion von solarem Wasserstoff nutzen lässt. Allerdings ist die Effizienz dieser günstigen, metallfreien Materialien sehr gering. Durch einen einfachen Prozess ist es nun gelungen, ihre katalytische Wirkung um den Faktor elf zu erhöhen. Dies zeigte nun ein Team an der Tianjin-University in China mit einer Gruppe am Helmholtz-Zentrum Berlin. Die Arbeit wurde im Journal Energy & Environmental Science veröffentlicht.
- Leuchtende Nanoarchitekturen aus GalliumarsenidEinem Team am HZB ist es gelungen, Nanokristalle aus Galliumarsenid auf winzigen Säulen aus Silizium und Germanium aufzuwachsen. Damit lassen sich auf der Basis von Siliziumchips sehr effiziente Bauelemente in für die Optoelektronik interessanten Frequenzbereichen realisieren.
- Verborgene Talente: Mit Bleistift und Papier Wärme in Strom umwandelnThermoelektrische Materialien können Wärmeunterschiede zur Stromerzeugung nutzen. Nun gibt es eine preiswerte und umweltfreundliche Lösung, um sie mit einfachsten Zutaten herzustellen: Ein normaler Bleistift, Kopierpapier und ein leitfähiger Kunststofflack reichen aus, um eine Temperaturdifferenz über den thermoelektrischen Effekt in Strom umzuwandeln. Dies hat nun ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin demonstriert.
- Nutzerforschung am BER II: Neue Erkenntnisse zur Hochtemperatur-SupraleitungAuch nach 30 Jahren Forschung bleiben viele Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern rätselhaft. So bildet sich in einigen Kuprat-Supraleitern eine magnetische “Streifen-Ordnung” aus. Ein dänisches Forscherteam hat diese Streifen mit Hilfe von Neutronen an den hochauflösenden Spektrometern FLEXX (HZB) und ThALES (ILL, Grenoble) genauer untersucht. Ihre Ergebnisse, die jetzt in Physical Review Letters veröffentlicht wurden, stellen das gängige Verständnis dieser „Streifen-Ordnung“ in Frage. Sie tragen dazu bei, das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung weiter zu entschlüsseln.
- Streitfrage in der Festkörperphysik nach 40 Jahren entschiedenEin internationales Team um Prof. Oliver Rader hat an BESSY II gezeigt, dass Samariumhexaborid kein topologischer Isolator ist. Durch einen Quanteneffekt wird dieses metallische Material bei sehr tiefen Temperaturen zu einem Kondo-Isolator, zeigt aber dennoch eine Restleitfähigkeit. Theoretische und erste experimentelle Arbeiten hatten zuvor darauf hingedeutet, dass dies auf einen topologischer Isolator schließen lässt. Das Team hat nun in Nature Communications eine überzeugende alternative Erklärung vorgestellt.
- Nutzerexperiment an BESSY II: Komplexe Parkettmuster, außergewöhnliche MaterialienEinfache organische Moleküle bilden komplexe Materialien durch Selbstorganisation
- Perowskit-Solarzellen: mesoporöse Zwischenschicht mildert Einfluss von DefektenFür die Stabilität des Wirkungsgrads von Perowskit-Solarzellen spielt ihre innere Architektur eine entscheidende Rolle. Dies zeigten nun zwei Forscherteams von Helmholtz-Zentrum Berlin und der TU München. Sie kombinierten dafür ihre Experimente mit numerischen Simulationen.
- Perowskit-Solarzellen: Es muss gar nicht perfekt seinUntersuchungen an BESSY II zeigen, warum selbst „löchrige“ Perowskit-Filme gut funktionieren
- Solarenergie: Defekte in Kesterit-Halbleitern mit Neutronen untersuchtEin Forschungsteam am HZB hat die verschiedenen Defekt-Typen in Kesterit-Halbleitern erstmals genau charakterisiert. Dies gelang ihnen mit Hilfe von Neutronenstreuung am BER II und am Oak Ridge National Laboratory, USA. Die Ergebnisse zeigen Möglichkeiten zur gezielten Optimierung von Kesterit-Solarzellen auf.
- Neutronen-Spektroskopie: Neues Detektormodul MultiFLEXX verzehnfacht ZählrateAm Drei-Achsen-Spektrometer FLEXX an der Neutronenquelle BER II steht ein neues Detektormodul für den Nutzerbetrieb zur Verfügung. Es misst viele Winkel und mehrere Energieüberträge gleichzeitig und ermöglicht so, etwa zehnmal so viele Daten pro Stunde zu messen. Die Neutronen-Nutzer können so ihre Messzeit optimal nutzen.
- Licht ermöglicht „unmögliches“ n-Dotieren von organischen HalbleiternEinsatzbereiche in Leuchtdioden oder Solarzellen
- Informationstechnologien der Zukunft: Antiferromagnetisches Dysprosium zeigt magnetisches Schalten mit weniger EnergieHZB-Wissenschaftler haben einen Mechanismus identifiziert, mit dem sich möglicherweise schnellere und energiesparendere magnetische Speicher realisieren lassen. Sie verglichen, wie unterschiedliche magnetische Ordnungen im Seltenerd-Metall Dysprosium auf einen kurzen Laserpuls reagieren. Dabei fanden sie heraus, dass sich die magnetische Ordnung sehr viel schneller und mit deutlich geringerem Energieeinsatz verändern lässt, wenn die magnetischen Momente der einzelnen Atome nicht alle in dieselbe Richtung weisen (ferromagnetisch), sondern gegeneinander verdreht sind (antiferromagnetisch). Die Studie erschien am 6.11.2017 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters und schmückt auch die Titelseite.
- Neue HZB-Zeitung lichtblick erschienenDie Solarenergie ist eine stark unterschätzte Technologie und könne sich zum Grundpfeiler der Stromversorgung entwickeln, so lautet das Ergebnis einer Studie des Mercator Instituts. In der neuen HZB-Zeitung erfahren Sie, warum es in der Photovoltaik noch so viel Spielraum nach oben gibt. Jüngstes Beispiel sind Perowskit-Solarzellen, deren Wirkungsgrade sich rasant entwickeln. Drei Nachwuchsgruppen und mehrere Institute am HZB forschen daran, damit diese Solarzellen zu einer echten Alternative auf dem Markt werden können (Seite 2).
- Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte OrdnungSeit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.
- Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdecktPhysiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.
- Neues Röntgenspektrometer ermöglicht es, Einzelschritte der Photosynthese zu beobachtenHZB Wissenschaftler haben an BESSY II ein neuartiges Spektrometer entwickelt, das detaillierte Einblicke in Katalyse-Prozesse an Metall-Enzymen ermöglicht. In internationaler Zusammenarbeit gelang es ihnen, einzelne Prozesse im Photosystem II aufzuklären. Ihre Studie haben sie nun in der Zeitschrift Structural Dynamics veröffentlicht. Das Photosystem II gehört zur Photosynthese, die u.a. in Pflanzen und Algen stattfindet und Sonnenenergie in chemische Energie umwandelt.
- Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-SofasGraphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.
- Solarer Wasserstoff mit „künstlichem Blatt“:Forschungsteam findet heraus, warum eine einfache Behandlung die Effizienz von preiswerten Metall-Oxid-Photoelektroden steigert
- Magnetische Speicher mit Licht schalten – Neue Erkenntnisse zu grundlegenden MechanismenEin Forscherteam hat am Helmholtz-Zentrum (HZB) zum ersten Mal gezeigt, wie das Schalten von magnetischen Materialeigenschaften per Laserlicht durch Wärmeeffekte beeinflusst wird und unter welchen Bedingungen der Schaltprozess abläuft. Zugleich entdeckten die Wissenschaftler eine bislang unbekannte Abhängigkeit von der Dicke der magnetischen Schicht: ein wichtiger Hinweis für das theoretische Verständnis von optisch steuerbaren Magnet-Datenspeichern. Die Arbeit wird heute in der Fachzeitschrift Scientific Reports publiziert.
- Erstmals Reaktionen zwischen zwei Molekülen in Nanoreaktoren modelliertEin Theorie-Team aus dem HZB hat erstmals mathematisch beschrieben, wie zwei verschiedene Moleküle mit Hilfe von Nanoreaktoren miteinander reagieren. So genannte Nanoreaktoren sind winzige Systeme, die chemische Reaktionen beschleunigen, also wie ein Katalysator wirken. Die teilweise überraschenden Einsichten ermöglichen Vorhersagen, wie sich Reaktionen besser steuern lassen. Das Modell ist auf viele Forschungsfragen anwendbar, insbesondere auch auf Prozesse in Energiematerialien.
- Nutzerforschung am BER II: Lupinenwurzeln beim Trinken zugeschautLupinen bilden nicht nur bunte Blüten aus, sondern auch nahrhafte, eiweißreiche Bohnen. Wie diese Pflanzen mit ihren Wurzeln im Boden Wasser ziehen, hat nun ein Team der Universität Potsdam an der Berliner Neutronenquelle BER II erstmals in 3D beobachtet. Dafür verbesserten sie zusammen mit der HZB-Bildgebungsgruppe die Zeitauflösung der Neutronentomographie gleich um mehr als das Hundertfache: Alle zehn Sekunden erstellten sie eine detaillierte 3D-Aufnahme. Diese ultraschnelle Neutronentomographie ist auch für die Analyse dynamischer Prozesse in porösen Materialien generell geeignet.
- Schreiben mit dem Elektronenstrahl: Jetzt auch Nanostrukturen aus SilberEin internationales Team hat erstmals Nanostrukturen aus Silber mit einem Elektronenstrahl auf ein Substrat „geschrieben“. Silbernanostrukturen zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, sichtbares Licht auf der Nanoskala zu konzentrieren. Mögliche Anwendungen liegen in der Sensorik (Nachweis von Molekülen), aber auch in der Datenverarbeitung mit Licht.
- Modern, kurz, informativ: Das HZB stellt sich in neuer Broschüre vorEine Info-Broschüre, illustriert mit einer Kombination aus Zeichnungen und Fotografien, ist die neue Visitenkarte des HZB. Knapp und verständlich beschreibt sie die wichtigsten Forschungsschwerpunkte des Zentrums, stellt Großgeräte und Labore vor und zeigt, warum das HZB ein weltweit attraktiver Arbeitsort ist.
- HZB-Forscher hat sich habilitiertDr. Klaus Habicht hat das Habilitationsverfahren an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam erfolgreich abgeschlossen. Damit erhält er auch offiziell die Lehrbefähigung für Physik der kondensierten Materie. Habicht hat seit 2011 zahlreiche Vorlesungen und Seminare an der Uni Potsdam gehalten, insbesondere zur Festkörperphysik und zu Methoden der Neutronenforschung. Am HZB leitet er die Abteilung für Methoden zur Charakterisierung von Transportphänomenen in Energiematerialien.
- HZB-Publikation in der Festschrift des Journal of Physics D: Applied PhysicsDas „Journal of Physics D: Applied Physics“ hat eine Arbeit zur Röntgentomographie an unterschiedlichen Batterietypen als Highlight für die Veröffentlichung in einem exklusiven Sonderband ausgewählt. An der Publikation waren zwei Gruppen am HZB und ein Team der Justus-Liebig-Universität Gießen beteiligt.
- Trends und Wege zu hocheffizienten Perowskit-SolarzellenPerowskit-Solarzellen waren die Überraschung der letzten Jahre. Binnen kürzester Zeit konnte ihr Wirkungsgrad von knapp 10 auf 22 Prozent gesteigert werden. Kein anderes Photovoltaik-Material hat bisher solche rasche Fortschritte verzeichnet. Forschergruppen weltweit widmen sich deshalb der neuen Materialklasse. Eva Unger und Steve Albrecht aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben auf Einladung der renommierten Fachzeitschrift Journal of Materials Chemistry A die Trends in der Materialentwicklung von Perowskithalbleitern der letzten Jahre ausgewertet. Dabei haben sie Chancen und Begrenzungen dieser Halbleiterklasse in Abhängigkeit von ihrem Absorptionsbereich in einem Überblicksartikel zusammengefasst.
- Bessere Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-AkkusEin Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat erstmals Nanopartikel aus einer Titanoxidverbindung (Ti4O7) mit extrem großen Oberflächen hergestellt und in Lithium-Schwefelbatterien als Kathodenmaterial getestet. Das hochporöse Nanomaterial besitzt eine hohe Speicherkapazität, die über viele Ladezyklen annähernd stabil bleibt.
- Nanodiamanten als Energiematerialien: kleine „Anhänger“ mit großer WirkungEin internationales Forscherteam hat neue Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Nanodiamanten und Wassermolekülen gewonnen. Durch Versuche an Synchrotronquellen konnten sie feststellen, dass kleine Molekülgruppen auf den Nanodiamantoberflächen großen Einfluss auf das Wasserstoffbrücken-Netzwerk ausüben. Dies könnte insbesondere für (photo)-katalytische Anwendungen interessant sein, zum Beispiel für die Produktion von solaren Brennstoffen mit Kohlendioxid und Licht.
- Protonentransfer: Forscher finden molekularen Schutzmechanismus gegen lichtinduzierte SchädigungenEin internationales Team aus Forschenden des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie aus Schweden und den USA hat einen Mechanismus untersucht, der Biomoleküle wie die Erbsubstanz DNA gegen Schädigung durch Licht schützt. Sie beobachteten, wie die Energie der einfallenden Photonen im Molekül aufgenommen wird ohne wichtige Bindungen des Biomoleküls zu beschädigen. Die Experimente fanden am Freie Elektronen-Laser LCLS in Kalifornien und an der Synchrotronquelle BESSY II des HZB in Berlin statt, wo mit der Methode der resonanten inelastischen Röntgenstreuung, RIXS, ein sehr empfindliches Messverfahren bereit steht.
- Preiswerte Katalysatoren finden und verstehen: Auf das Eisen kommt es anEin Team hat mehr als hundert Eisen-Nickel-Katalysatoren mit unterschiedlichen Beimischungen von Chrom untersucht. Dabei analysierten sie an BESSY II auch die elektronischen Strukturen der einzelnen Elemente. Sie zeigten, dass ein steigender Chromanteil vor allem die elektronische Struktur des Eisens beeinflusst, die wichtig für die Wirkung als Katalysator ist. Die Ergebnisse dieser Hochdurchsatzstudie helfen bei der wissensbasierten und gezielten Suche nach besseren Katalysatoren.
- Ultradünne CIGSE-Solarzellen: Nanostrukturen steigern den WirkungsgradUltradünne CIGSe-Solarzellen sparen Material und Energie bei der Herstellung. Allerdings sinkt auch ihr Wirkungsgrad. Mit Nanostrukturen auf der Rückseite lässt sich dies verhindern, zeigt eine Forschungsgruppe vom HZB zusammen mit einem Team aus den Niederlanden. Sie erzielten bei den ultradünnen CIGSe-Zellen einen neuen Rekord bei der Kurzschlussstromdichte.
- Hochempfindliche Methode zum Nachweis von Ionen-Paaren in wässriger LösungWissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin, der Freien Universität Berlin, der Universität Heidelberg und der Universität für Chemie und Technologie Prag haben einen zuvor nur theoretisch vorhergesagten, speziellen Elektronentransfer in einer wässrigen Salz-Lösung experimentell nachgewiesen. Von den Ergebnissen erhoffen sie sich eine extrem sensitive Methode zum Nachweis von Ionenpaaren in Lösungen.
- Brennstoffzellen mit PFIA-Membranen:Experimente an BESSY II zum Wassermanagement geben Hinweise auf weitere Optimierung von Brennstoffzellen
- Neuer Rekord an BESSY II: Zehn Millionen Ionen in einer Ionen-Falle erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühltMagnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt
- Methodenentwicklung an BESSY II: Standard-Röntgenspiegel nun auch für ultraschnelle Experimente einsetzbarElektronische, magnetische und strukturelle Prozesse in Energiematerialien finden auf Zeitskalen zwischen Femtosekunden und 100 Pikosekunden statt. Um solche Prozesse zu beobachten, wird die Probe mit einem ersten Lichtpuls angeregt und dann mit einem zeitlich verzögerten Abfragepuls „abgetastet“. Dabei ist es allerdings entscheidend, dass der zeitliche Überlapp beider ultrakurzen Lichtpulse exakt bekannt ist. Nun hat ein Team vom HZB und der Universität Potsdam eine neue und überraschend simple Lösung gefunden, um auch bei Lichtpulsen mit unterschiedlichen Wellenlängen, z.B. aus dem Infrarot- und Röntgenbereich, den zeitlichen Überlapp genau zu messen: Sie setzen dafür einen Standard-Röntgenspiegel ein, der auch sonst in BESSY II verwendet wird. Der Spiegel besteht aus alternierenden Nanolagen von Molybdän und Silizium, die durch Laseranregung dynamisch ihre Dicke ändern, was sich auf die Reflektivität des Spiegels auswirkt.
- Methodenentwicklung am HZB: Ionische Flüssigkeiten vereinfachen Laserexperimente mit flüssigen ProbenEin HZB-Team hat eine neue Methode entwickelt, um Moleküle in Lösung mit Laserexperimenten analysieren zu können. Dies war bisher schwierig, weil sich dafür die Probe im Vakuum befinden muss, Flüssigkeiten unter Vakuum aber verdampfen. Dem Team ist es nun gelungen, das Lösungsmittel durch eine ionische Flüssigkeit zu ersetzen, die im Vakuum nicht verdampft: So können die Moleküle mit einem Laserpuls angeregt werden, und das Verhalten der angeregten Zustände im Vakuum gemessen werden. Dies gibt Aufschluss über physikalische und chemische Prozesse in neuartigen flüssigen Energie-Materialien, wie sie etwa in organischen Solarzellen oder Katalysatoren zum Einsatz kommen.
- Zukünftige Informationstechnologien: Neues Materialsystem ermöglicht lokale magnetische Monopole - Ausblick auf energieeffiziente DatenspeicherEin internationales Team hat an BESSY II einen neuen Weg gefunden, um exotische magnetische Muster wie Monopole oder Wirbel in einer dünnen magnetischen Schicht zu erzeugen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für schnelle und energieeffiziente Datenspeicher. Das neue Materialsystem besteht aus einer supraleitenden Mikrostruktur, die mit einem extrem dünnen ferromagnetischen Film beschichtet ist. Ein kurzfristig angelegtes äußeres Magnetfeld regt Ströme in den supraleitenden Bereichen an. Durch diese Ströme werden die gewünschten magnetischen Muster stabil in die ferromagnetische Dünnschicht eingeschrieben. Die Ergebnisse sind in Advanced Science publiziert.
- Nanotechnologie für Energie-Materialien: Elektroden wie BlattadernNano-dimensionierte Metalldrähte finden zunehmend Interesse als leitfähige Elemente für die Herstellung transparenter Elektroden. Zum Einsatz kommen solche transparenten Elektroden in Solarzellen oder Touchscreen-Panels. Zu den wichtigsten Parametern einer Elektrode für die Anwendung in der Photovoltaik gehört neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit eine exzellente optische Durchlässigkeit. Ein internationales Team um den HZB-Wissenschaftler Prof. Dr. Michael Giersig hat kürzlich demonstriert, dass metallische Netze, die fraktal-ähnliche Nanostrukturen besitzen, andere metallische Netze in ihrer Nützlichkeit für die genannten Anwendungen übertreffen. Diese Ergebnisse wurden jetzt in der jüngsten Ausgabe des renommierten Journals Nature Communications veröffentlicht.
- Methodenentwicklung an BESSY II: Automatische Auswertung beschleunigt die Suche nach neuen WirkstoffenDie MX-Beamlines der Röntgenquelle BESSY II am HZB sind auf die hochautomatisierte Strukturanalyse von Proteinkristallen spezialisiert. Mit bereits über 2000 bestimmten Proteinstrukturen sind sie in Deutschland mit Abstand die produktivsten Beamlines dieser Art und werden von Forschung und Industrie stark nachgefragt. Nun haben Teams der Philipps-Universität Marburg und des HZB auch die Auswertung der Datensätze automatisiert: Das neu entwickelte Computerprogramm (Expertensystem) identifiziert aus den Rohdaten einer Röntgenstrukturanalyse diejenigen Molekülfragmente, die sich als Startpunkt für die Entwicklung eines Wirkstoffs eignen. An einer Serie von 364 Proben demonstrierten die Kooperationspartner, dass das Expertensystem zuverlässig arbeitet und die Suche nach einem passenden Wirkstoff beschleunigen kann. Die Arbeit ist im Journal Structure publiziert.
- Handbuch zu Charakterisierungsmethoden von Dünnschicht-Solarzellen unter Mitwirkung von HZB-Forschern erschienenIm August 2016 ist die zweite, erweiterte Auflage des Fachbuchs „Advanced Characterization Techniques for Thin-Film Solar Cells“ beim renommierten WILEY-VCH Verlag erschienen. Mit-Herausgeber ist der HZB-Forscher Dr. Daniel Abou-Ras; insgesamt elf Autorinnen und Autoren aus dem HZB haben Beiträge für dieses Nachschlagewerk verfasst. Es liefert einen umfassenden Überblick über zahlreiche Charakterisierungs- und Modellierungstechniken, die für Solarzellenmaterialien und -bauelemente angewandt werden.
- Exotischer Materiezustand: "Flüssige" Quantenspins bei tiefsten Temperaturen beobachtetEin Team am HZB hat experimentell eine sogenannte Quanten-Spinflüssigkeit in einem Einkristall aus Kalzium-Chrom-Oxid nachgewiesen. Dabei handelt es sich um einen neuartigen Materiezustand. Das Besondere an dieser Entdeckung: Nach gängigen Vorstellungen war das Quantenphänomen in diesem Material gar nicht möglich. Nun liegt eine Erklärung vor. Die Arbeit erweitert das Verständnis von kondensierter Materie und könnte auch für die zukünftige Entwicklung von Quantencomputern von Bedeutung sein. Die Ergebnisse sind nun in Nature Physics veröffentlicht.
- Neuer Effekt beim Laserinduzierten Umschalten von Bits für höhere SpeicherdichtenEin internationales Team hat an BESSY II eine neue Möglichkeit entdeckt, wie sich die Informationsdichte in Speichermedien künftig weiter erhöhen lässt. Sie beschossen dafür das ferromagnetische Material BaFeO3 (BFO) mit kurzen Laserpulsen, welche einen kurzzeitigen Phasenübergang im Material bewirken. Das ermöglichte es, ansonsten stabile magnetische Regionen sehr lokal umzuschalten. Dies konnten sie mit ultrakurzen Röntgenpulsen an der Femtospex-Anlage nachweisen. Dieser Effekt könnte einen neuen Weg eröffnen, um Daten zu speichern. Die Ergebnisse sind nun in Phys. Rev. Letters publiziert.
- Aus der Forschung der Nutzer: Sanftes Entkoppeln legt Nanostrukturen freiAm Synchrotronspeicherring BESSY II des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat ein internationales Team einen raffinierten Weg gefunden, um organische Nanostrukturen von Metalloberflächen abzukoppeln. Die Messungen belegen: Durch Einschleusen von Jod erhält man ein Netz aus organischen Molekülen, die fast wie ein freistehendes Netz erscheinen. Dies könnte ein Weg sein, um Nanostrukturen von Metalloberflächen auf andere Oberflächen zu übertragen, die sich besser für molekulare Elektronik eignen. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Graphen auf Halbleitersubstrat als Kandidat für SpintronikGraphen auf Siliziumkarbid könnte ein interessantes Materialsystem für künftige spintronische Bauelemente werden. Durch eingeschleuste Goldatome kann die Spin-Bahn-Wechselwirkung punktuell so stark erhöht werden, dass sich die Spins kontrollieren lassen. Dies zeigen erste Ergebnisse an BESSY II, die nun in den Applied Physics Letters veröffentlicht sind.
- Spintronik: Effizientes Materialsystem für die wärmeunterstützte DatenspeicherungEin HZB-Team hat Dünnschichten aus Dysprosium-Kobalt über einer nanostrukturierten Membran an BESSY II untersucht. Sie zeigten, dass eine Erwärmung auf nur 80 Grad Celsius ausreicht, um die Magnetisierung von winzigen Nano-Regionen neu auszurichten. Dies ist weit weniger als bislang für die wärmeunterstützte magnetische Datenspeicherung (Heat Assisted Magnetic Recording) nötig war. Ziel dieser Forschung sind schnelle und energieeffiziente Datenspeicher, die mehr Informationen auf kleinster Fläche speichern. Die Ergebnisse sind in dem neuen Fachjournal Physical Review Applied veröffentlicht.
- Nutzerforschung an BESSY II: Was Zähne fester macht als jedes bekannte künstliche MaterialDentin gilt als einer der beständigsten biologischen Stoffe überhaupt. Wie Wissenschaftler der Charité–Universitätsmedizin Berlin nun zeigen konnten, ist es in seiner Zusammensetzung langlebiger als jedes künstlich geschaffene Material. Der Grund dafür liegt in seinen winzigen Nanostrukturen und hier insbesondere im Wechselspiel der einzelnen Komponenten. Die präzise Interaktion zwischen Proteinfasern und mineralischen Nanopartikeln ist dafür verantwortlich, dass Dentin ausgesprochen hohem Druck standhalten kann. Dies haben Messungen an der Synchrotronquelle BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin nachgewiesen. Die Ergebnisse sind jetzt in der Fachzeitschrift Chemistry of Materials veröffentlicht.
- Chemie von Eisen in wässriger Lösung entschlüsseltEin HZB-Team hat an der Synchrotronquelle BESSY II zwei unterschiedliche Methoden kombiniert, um mehr Informationen zur Chemie von Übergangsmetallverbindungen in Lösung zu gewinnen. Solche Verbindungen können als Katalysatoren in Energiematerialien gewünschte Reaktionen befördern, sind aber bislang noch nicht vollständig verstanden. Sie zeigten an einem einfachen Modellsystem aus Eisen in Wasser, wie sich aus dem systematischen Vergleich sämtlicher elektronischer Wechselwirkungsprozesse ein detailliertes Bild der elektronischen Zustände ermitteln lässt. Die Ergebnisse sind im Open Access Journal von Nature, den Scientific Reports, publiziert.
- Spintronik für künftige energieeffiziente Informationstechnologien: Spin-Ströme in Topologischen Isolatoren kontrolliertEin internationales Team um den HZB-Forscher Jaime Sánchez-Barriga hat gezeigt, wie sich in Proben aus einem Topologischen Isolator-Material spinpolarisierte Ströme gezielt in Gang setzen lassen. Zudem konnten sie die Ausrichtung der Spins in diesen Strömen kontrollieren. Damit demonstrierten sie, dass sich diese Materialklasse dafür eignet, mithilfe von Spins Daten zu verarbeiten. Die Arbeit ist in der renommierten Zeitschrift Physical Review B erschienen und wurde als "Editor's Suggestion" ausgezeichnet.
- Dünnschicht-Solarzellen: Wie Defekte in CIGSe-Zellen entstehen und verschwindenKupferanteil spielt entscheidende Rolle
Eine internationale Kollaboration aus deutschen, israelischen und britischen Teams hat die Abscheidung von einzelnen Chalkopyrit-Dünnschichten untersucht. An der Röntgenquelle BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin konnten sie beobachten, wann sich während der Deposition bestimmte Defekte bilden und unter welchen Umständen sie ausheilen. Die Ergebnisse geben Hinweise für die Optimierung der Herstellungsprozesse und sind nun in „Energy & Environmental Science“ publiziert.
- Rätsel um Effizienzverlust von Zinkoxid-basierten Farbstoffsolarzellen aufgeklärtUm Sonnenenergie in Strom oder solare Brennstoffe umzuwandeln, benötigt man spezielle Materialsysteme. Zum Beispiel solche, die aus organischen und anorganischen dünnen Schichten bestehen. Bei der Umwandlung der Sonnenenergie spielen Prozesse an den Grenzflächen dieser Schichten eine entscheidende Rolle. Nun hat ein HZB-Team um Prof. Emad Aziz erstmals mit ultrakurzen Laserpulsen direkt beobachtet, wie sich zwischen den organischen Farbstoffmolekülen und einer Zinkoxid-Halbleiterschicht Grenzflächenzustände bilden, in denen Ladungsträger eingefangen werden. Dies erklärt, warum ZnO-Farbstoffsolarzellen aktuell hinter den Erwartungen zurückbleiben. Die Ergebnisse sind im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der australischen Monash-University am Joint Lab vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Freien Universität Berlin (FU) entstanden und im Open Access Magazin von Nature, den Scientific Reports, online publiziert.
- Energiespeichermaterialien unter DruckÜberraschendes Ergebnis an BESSY II: Hoher Druck kann Gasaufnahmekapazität von MOFs zunächst verringern
- Solare Brennstoffe: Raffinierte Schutzschicht für das „Künstliche Blatt”Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat ein Verfahren entwickelt, um empfindliche Halbleiter für die solare Wasserspaltung („Künstliches Blatt“) mit einer organischen transparenten Schutzschicht zu versehen. Die extrem dünne Schutzschicht aus vernetzten Kohlenstoffatomen ist stabil und leitfähig und mit Katalysator-Nanopartikeln aus Metalloxiden bedeckt. Diese beschleunigen die Spaltung von Wasser unter Lichteinstrahlung. Die so hergestellte Hybridstruktur zeigt als Photoanode für die Sauerstoffentwicklung Stromdichten von über als 15 mA/cm2. Die Ergebnisse sind nun in Advanced Energy Materials veröffentlicht.
- Die Vermessung der Chemie: Lokaler Fingerabdruck von Wasserstoffbrücken-Bindungen experimentell erfasstEin Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin konnte nun erstmals messen, wie neue Verbindungen zwischen Molekülen diese beeinflussen: Sie haben aus Messdaten an der Swiss Lightsource des Paul-Scherrer-Instituts die „Energielandschaft“ von Azeton-Molekülen rekonstruiert und so experimentell den Aufbau von Wasserstoffbrücken zwischen Azeton- und Chloroform-Molekülen nachgewiesen. Die Ergebnisse sind in Nature Scientific Reports veröffentlicht und helfen, grundlegende Phänomene der Chemie zu verstehen.
- Topologische Isolatoren: Magnetismus spielt keine Rolle beim Zusammenbruch der LeitfähigkeitWerden Topologische Isolatoren mit magnetischen Fremdatomen dotiert, dann verliert ihre Oberfläche ihre Leitfähigkeit. Doch anders als bisher angenommen, spielt dabei der Magnetismus, der Fremdatome keine Rolle. Dies zeigten Experimente an der Synchrotronquelle BESSY II des HZB, die nun in Nature Communications veröffentlicht sind. Das Verständnis dieser Effekte ist eine wichtige Voraussetzung, um Topologische Isolatoren in der Informationstechnologie anwenden zu können.
- Sandwiches aus Metalloxiden: Wie sich Eigenschaften der Grenzflächen manipulieren lassenEine französisch-deutsche Kooperation hat ein Schichtsystem aus Übergangsmetalloxiden an BESSY II untersucht. Dabei entdeckten die Wissenschaftler eine neue Möglichkeit, um Eigenschaften der Grenzfläche gezielt zu verändern, zum Beispiel den Ladungstransfer oder die magnetischen Eigenschaften. Möglicherweise könnte man damit sogar neue Formen der Hochtemperatur-Supraleitung erzeugen.
- Alternative zu Platin: Katalysator aus Eisen-Stickstoff-Komplexen in GraphenMit einem neuen Präparationsverfahren haben Teams am HZB und der TU Darmstadt ein preiswertes Katalysatormaterial für Brennstoffzellen hergestellt und eingehend analysiert: Es besteht aus Eisen-Stickstoff-Komplexen, die in Graphen-Inseln von nur wenigen Nanometern im Durchmesser eingebettet sind. Dabei sorgen nur die FeN4-Zentren für die hervorragende katalytische Wirkung, die an Platin heranreicht. Die Ergebnisse lassen sich auch für die solare Wasserstoffproduktion nutzen und sind im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
- Wettlauf der Solarstrom-Technologien: Dünnschicht-Photovoltaik holt aufZSW und HZB legen aktuelle Daten vor – neue Chancen für die EU-Solarindustrie
- Elektronenbahnen in komplexen Magnetfeldern jetzt schneller berechenbarUm künftig noch leistungsstärkere Synchrotronquellen zu konzipieren, ist es wichtig, die Elektronenbahnen in komplexen Magnetstrukturen mit hoher Präzision zu simulieren. Dies erfordert jedoch sehr lange Rechenzeiten. Nun hat ein Team am HZB die Elektronenbahnen mit einem neuen Algorithmus simuliert und damit die erforderliche Rechenzeit verkürzen können. Dies beschreiben sie in Physical Review Special Topics Accelerator & Beams.
- Optimale Bandlücke für hybride Tandem-Solarzelle aus Silizium und PerowskitTandemsolarzellen aus Silizium und Perowskit gelten als Hoffnungsträger für zukünftige hocheffiziente Solarmodule. Ein Team um den Perowskit-Pionier Henry Snaith, Universität Oxford, hat nun mit Bernd Rech und Lars Korte vom Helmholtz-Zentrum Berlin gezeigt, dass Wirkungsgrade von bis zu 30 Prozent für eine Perowskit-Silizium-Tandemzelle erreichbar sind. Sie haben dafür die chemische Zusammensetzung der Perowskit-Schicht systematisch variiert und so eine Bandlücke von 1,75 Elektronenvolt realisiert, die für die Energieumwandlung optimal ist. Ihre Arbeit ist nun in „Science“ publiziert.
- Alternative Methode, um Mikrostrukturen in Polykristallen darzustellenAuch mit Raman-Mikrospektroskopie lässt sich ermitteln, wie Kristallorientierungen in polykristallinen Materialien über größere Bereiche verteilt sind. Dieses Verfahren kann als Alternative zur Rückstreuelektronenbeugung im Rasterelektronenmikroskop herangezogen werden. Dass beide Verfahren auf Flächen von mehreren hundert Quadratmikrometern zu vergleichbaren Ergebnissen führen, hat nun ein Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) demonstriert.
- Dotierung von organischen Halbleitern analysiertOrganische Halbleitermaterialien werden heute schon erfolgreich eingesetzt, zum Beispiel für Solarzellen oder Leuchtdioden (OLEDs). Bislang war jedoch nur wenig darüber bekannt, wie „Dotier“-Moleküle strukturell in organische Halbleiter integriert werden. Dies hat nun die gemeinsame Forschergruppe „Molekulare Systeme“ des Helmholtz-Zentrums Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin an BESSY II analysiert. Die Ergebnisse sind überraschend: Die Moleküle verteilen sich nicht notwendigerweise gleichmäßig im Wirtsgitter, wie man es von anorganischen Halbleitern gewohnt ist, sondern bilden sogenannte Ko-Kristallite mit dem Wirtsmaterial.
- „Flüstergalerie-Moden“ in Silizium-Nanokegeln verstärken die LumineszenzDas Halbleitermaterial Silizium kann mit Hilfe von Nanostrukturierung ganz neue Talente entfalten. Dies zeigt nun ein Team am HZB-Institut „Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung“ und am MPI für die Physik des Lichts. So geben Nanokegel aus Silizium nach Anregung mit sichtbarem Licht 200mal so viel Infrarotlumineszenz ab wie vergleichbar große Nanosäulen. Modellierungen und experimentelle Ergebnisse zeigen: Die Kegel können durch ihre Geometrie Flüstergalerie-Moden für Infrarotwellen beherbergen, die die Silizium-Lumineszenz verstärken. Neue Anwendungen bis hin zu Nanolasern auf Siliziumbasis sind damit denkbar.
- Monolithische Tandem-Solarzelle aus Silizium und Perowskit mit Rekord-WirkungsgradErstmals ist es Teams aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz, gelungen, eine Silizium-Hetero-Solarzelle mit einer Perowskit-Solarzelle monolithisch - in einem Block - zu kombinieren. Die hybride Tandemzelle erreichte einen Wirkungsgrad von 18 Prozent. Das ist derzeit der höchste publizierte Wert für einen solchen Aufbau. Perspektivisch könnten sogar Wirkungsgrade von bis zu 30 Prozent möglich sein.
- Erstmals experimentell nachgewiesen: Wie Nanoteilchen ultradünne CIGSe-Solarzellen effizienter machenCIGSe-Solarzellen sind aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen aufgebaut und können hohe Wirkungsgrade erreichen. Um wertvolles Indium einzusparen, soll die CIGSe-Schicht jedoch so dünn wie möglich sein. Dadurch sinkt allerdings der Wirkungsgrad sehr stark. Nun hat es ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) geschafft, ultradünne CIGSe-Schichten von hoher Qualität herzustellen und mit winzigen Nanoteilchen auf der Rückseite der Zelle den Wirkungsgrad zu steigern.
- Graphen als Frontkontakt für Silizium-Perowskit-Tandem-SolarzellenEin Team aus dem Institut für Silizium-Photovoltaik des Helmholtz-Zentrums Berlin hat ein neues und raffiniertes Verfahren entwickelt, um die empfindliche Perowskit-Schicht erstmals mit Graphen zu beschichten. Mit anschließenden Messungen konnten sie belegen, dass Graphen ideal als Frontkontakt geeignet ist.
- Wasserstoff aus Sonnenlicht: Neuer Effizienzrekord bei der künstlichen PhotosyntheseEinem internationalen Team ist es gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung jetzt deutlich zu steigern. Sie nutzen dafür eine Tandem-Solarzelle, deren Oberflächen sie gezielt modifizierten. Der neue Bestwert liegt bei 14 Prozent und damit deutlich über dem bisherigen Rekordwert von 12,4 Prozent, der damit seit 17 Jahren erstmals gebrochen wurde. An der Kooperation sind Forscher vom Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin, der TU Ilmenau, vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg und vom California Institute of Technology beteiligt. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.
- Ladungstransport in hybriden Silizium-basierten SolarzellenEine überraschende Erkenntnis bei organisch-anorganischen Hybrid-Solarzellen hat ein Team um Silke Christiansen gewonnen: anders als erwartet, entspricht der Übergang zwischen der organischen leitfähigen Kontaktschicht aus PEDOT:PSS und dem Silizium-Absorbermaterial nicht einem Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt), sondern einem pn-Übergang zwischen zwei Halbleitermaterialien. Ihre Ergebnisse sind nun in dem Nature-Journal Scientific Reports publiziert und können neue Wege aufzeigen, hybride Solarzellen zu optimieren.
- Transparentes, leitfähiges Netz aus verkapselten Silbernanodrähten – eine neuartige flexible Elektrode für die OptoelektronikEin Team um Silke Christiansen hat eine transparente, hochleitfähige Elektrode für Solarzellen und andere optoelektronische Bauelemente entwickelt, die mit minimalem Materialaufwand auskommt. Sie besteht aus einem ungeordneten Netz aus Silbernanodrähten, das mit Aluminum-dotiertem Zinkoxid beschichtet ist. Die neuartige Elektrode benötigt knapp 70mal weniger Silber als konventionelle Silber-Gitterelektroden, besitzt aber eine vergleichbar gute Leitfähigkeit.
- Spins in Graphen: ausgerichtet wie die Stachelns eines IgelsHZB-Team weist fundamentale Eigenschaft des Elektronenspins in Graphen nach
- Inhomogene Chlorverteilung in Perowskit-SchichtenMit verschiedenen röntgenspektroskopischen Experimenten an BESSY II zeigte ein HZB-Team, dass sich Chlor in einer bestimmten Klasse von Perowskiten sehr ungleichmäßig verteilt: während an der Oberfläche Chlor nicht nachweisbar ist, findet man in tieferen Lagen, insbesondere an der Grenzfläche zum Substrat, eine signifikante Chlorkonzentration. Die Ergebnisse könnten Wege aufzeigen, bei der Herstellung der Schichten die Verteilung der Chloratome zu kontrollieren und dadurch die Effizienz von Perowskit-Dünnschicht-Solarzellen weiter zu steigern.
- “Teufelstreppe” in einem Spin-Ventil-SystemEin Japanisch-Deutsches Team entdeckt in einem komplexen Kobaltoxid-Einkristall an BESSY II, wie sich die Spins stufenweise zu einer ungewöhnlichen Anordnung formieren. Dies könnte neue spintronische Bauelemente ermöglichen.
- Auf dem Weg zu Biosensoren mit GraphenErstmals ist es einem Team gelungen, nicht nur präzise zu messen, sondern sogar zu steuern, wie stark eine Graphenschicht eine organische Verbindung absorbiert. Dies könnte in Zukunft ermöglichen, Graphen als empfindlichen Sensor für Biomoleküle zu nutzen.
- Das Geheimnis starker Zähne: Nanostrukturen unter SpannungErgebnisse könnten in das Design neuer keramischer Materialien einfließen
- Realitätsgetreues Modell einer Batterieelektrode am RechnerEin Forschungsteam hat einen neuen Ansatz entwickelt, um Batterie-Elektroden am Computer noch realistischer zu modellieren. Sie kombinierten dafür Synchrotron-Tomographie-Aufnahmen, die die dreidimensionale Struktur mikrometergenau abbilden, mit Elektronenmikroskopie-Aufnahmen, die in einem kleinen Ausschnitt sogar Nanostrukturen auflösen. Mit einem mathematischen Modell konnten sie diese Nanostrukturen auf Bereiche außerhalb des Ausschnitts übertragen. Dadurch lassen sich Eigenschaften und Prozesse in Batterie-Elektroden nun höchst realistisch simulieren.
- Spintronik: Mit Spannung zwischen „0“ und „1“ umschaltenIn einer Struktur aus zwei verschiedenen ferroischen Schichten hat ein Team aus Paris und dem HZB es geschafft, mit Hilfe einer Spannung magnetische Domänen an und auszuschalten. Dies gelang jetzt schon nahe der Raumtemperatur. Ihre Arbeit ist für zukünftige Anwendungen in der Spintronik interessant, zum Beispiel um Daten mit weniger Energieaufwand schnell und effizient zu speichern. Die Ergebnisse sind nun in Scientific Reports veröffentlicht.
- Künstliche Photosynthese: Neue Photokathode mit viel PotentialEin Team des HZB-Instituts für Solare Brennstoffe hat eine neue Komposit-Photokathode entwickelt, um mit Sonnenlicht effizient Wasserstoff zu erzeugen. Damit kann Solarenergie chemisch gespeichert werden. Die Photokathode besteht aus einer Chalkopyrit-Dünnschicht vom PVComB, die mit einem neu entwickelten dünnen Film aus Titandioxid beschichtet ist, in den Platin-Nanoteilchen eingebettet sind. Diese Schicht schützt die Chalkopyrit-Dünnschicht nicht nur vor Korrosion, sondern beschleunigt außerdem als Katalysator die Wasserstoffbildung und weist selbst hohe Photostromdichte und Photospannung auf.
- Tintendruck-Verfahren für Kesterit-SolarzellenEin Team aus dem HZB hat ein neues Verfahren entwickelt, um mit einer speziellen Tinte Kesterit-Absorberschichten (CTZSSe) Tropfen für Tropfen auszudrucken. Solarzellen mit so produzierten Absorberschichten erreichten Wirkungsgrade von 6,4 %. Auch wenn dies noch deutlich unter den Rekordwerten für Kesterit-Solarzellen liegt, ist das Tintendruck-Verfahren interessant für die industrielle Produktion, da es extrem ökonomisch ist und kaum Abfälle erzeugt.
- Neutronen und Röntgen-CT zeigen, wie stabilere Zahnfüllungen gelingenEs gibt nicht nur unterschiedliche Materialien für Zahnfüllungen, sondern auch unterschiedliche Methoden, um das Füllmaterial anzurühren. Welche Zubereitung zum besten Ergebnis führt, ist nicht leicht herauszufinden. Ein Team aus Kopenhagen hat nun einen Weg gefunden, diese Frage für eine wichtige Klasse von Zahnfüllmaterialien zu beantworten: Sie untersuchten unterschiedlich angerührte Zahnfüllungen auf Basis eines Glasionomerzements mit Röntgen- und Neutronentomographie am HZB. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Zubereitung eine große Rolle spielt, um flüssigkeitsgefüllte Poren zu vermeiden, die die Stabilität der Füllung verringern. Die Arbeit ist nun in Scientific Reports publiziert.
- Vom Auge abgeschaut: Mikrotrichter aus Silizium erhöhen die Effizienz von SolarzellenEine Biostruktur im Säugetierauge hat ein Team um Silke Christiansen inspiriert, ein anorganisches Pendant für den Einsatz in Solarzellen zu entwerfen. Mit Hilfe etablierter halbleitertechnologischer Verfahren ätzten sie dicht an dicht mikrometerfeine, vertikale Trichter in ein Siliziumsubstrat. Mit Modellrechnungen und im Experiment testeten sie, wie solche Trichterfelder das einfallende Licht sammeln und in die aktive Schicht einer Siliziumsolarzelle leiten. Durch diese Trichteranordnung steigt die Lichtabsorption in einer damit versehenen Dünnschichtsiliziumsolarzelle um 65 %, was sich in deutlich verbesserten Solarzellparametern u.a. einem erhöhten Wirkungsgrad widerspiegelt.
- Dehnen und Lockern! – Verlust eines Elektrons schaltet Magnetismus in Chromdimer anEin internationales Forschungsteam aus Berlin, Freiburg und Fukuoka, Japan, hat erstmals einen direkten experimentellen Einblick in das geheime Quantenleben des Chromdimers gewonnen: Das Molekül aus zwei Chrom-Atomen besitzt zwölf Valenzelektronen, die eine enge Sechsfachbindung zwischen den beiden Atomen gewährleisten. Die Abspaltung von nur einem einzigen Elektron verändert diese Situation dramatisch: Zehn Elektronen lokalisieren sich und richten ihre Spins parallel aus, so dass das Chromdimer-Kation ferromagnetisch wird. Für die molekulare Bindung sorgt dann nur noch ein einziges Elektron. Die Forscher nutzten ein einzigartiges Instrument, die Nanocluster Trap an BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin, und haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.
- Einblick ins Innere magnetischer SchichtenMessungen an BESSY II zeigen, wie sich in magnetischen Sandwiches „Spin-Filter“ bilden, die den Tunnelmagnetwiderstand beeinflussen – Ergebnisse können beim Design spintronischer Bauelemente helfen
- Erstmals mit Details: Wie giftiges Kohlenmonoxid am Katalysator zu Kohlendioxid verbrenntEin internationales Forschungsteam hat erstmals die flüchtigen Zwischenstufen beobachtet, die sich bilden, wenn Kohlenmonoxid auf einer heißen Ruthenium-Oberfläche, einem einfachen Katalysator, oxidiert. Sie nutzten dafür ultrakurze Röntgenblitze und Laserpulse am SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, Kalifornien. Dabei erhitzte ein Laserblitz zunächst die Ruthenium-Oberfläche und aktivierte so die absorbierten Kohlenmonoxid-Moleküle und Sauerstoff-Atome. Über Röntgenabsorptionsspektroskopie konnte das Team dann ermitteln, wie sich die elektronische Struktur der Sauerstoffatome veränderte, während sie mit Kohlenstoff-Atomen Bindungen anbahnten. Die beobachteten Übergangszustände stimmen mit quantenchemischen Berechnungen gut überein.
- Forschungsmagazin „Sichtbar“: Große Forschung, interessante Leute, neue PerspektivenAuf dem Titelbild prangt ein echter Star: Der neue Hochfeldmagnet, umgeben und beklettert von den Physikerinnen und Experten, die in den letzten sieben Jahren am Aufbau dieses weltweit einzigartigen Großgeräts mitgearbeitet haben. Auch im Heft finden Sie Bilder und Geschichten aus der HZB-Forschung, die wir manchmal auch aus einer anderen Perspektive erzählen als sonst.
- Spintronik: Der Tanz der NanowirbelMit Hilfe der Röntgenholografie gelang es einem Forscherteam, die Bewegungsmuster sogenannter Skyrmionen sichtbar zu machen. Dabei stießen die Forscher auf eine neue Erkenntnis: Die Nanowirbel besitzen eine Masse. Die Arbeit ist am 02. Februar 2015 in „Nature Physics" erschienen.
- „Löcher“ im Valenzband von Nanodiamanten entdecktEigenschaften könnten sich gezielt verändern lassen, um Nanodiamanten als Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung mit Sonnenlicht zu nutzen, hoffen die Forscher.
- Frisch erschienen: Alles über Kesterit-Solarzellen:Pünktlich zum Beginn des neuen Jahres erscheint das Buch "Copper Zinc Tin Sulfide-based Thin Film Solar Cells" (Wiley, 2015, Herausgeber K.Ito), an dem auch Wissenschaftler des HZB beteiligt sind. Thomas Unold, Justus Just und Hans-Werner Schock haben das Kapitel "Coevaporation of CZTS Films and Solar Cells" beigetragen, Susan Schorr hat ein Kapitel zu "Crystallographic Aspects of CZTS" verfaßt.
- Nachricht aus dem HimmelGeologen der Universität Cambridge um Dr. Richard Harrison haben an BESSY II bislang verborgene magnetische Signale in Meteoriten entdeckt. Sie legen Zeugnis ab von Magnetfeldern im Gestein während der frühen Phase des Sonnensystems und ermöglichen vielleicht eine Voraussage zum Schicksal des Erdmagnetfeldes in ferner Zukunft. Das Team um Dr. Richard Harrison hat in Meteoriten winzige Partikel identifiziert, die sich während der frühen Phase des Sonnensystems magnetisch ausgerichtet haben.
- Auf dem Weg zur künstlichen PhotosyntheseHZB-Forscher beschreiben effizienten Mangan-Katalysator für die Umwandlung von Licht in chemische Energie
- Batman zeigt den Weg zu kompakter DatenspeicherungForschenden am Paul Scherrer Institut PSI ist es gelungen, winzige magnetische Strukturen mit Laserlicht umzuschalten und die Veränderung zeitlich zu verfolgen. Dabei blinkte kurz ein nanometergrosser Bereich auf, der skurrilerweise an das Fledermaus-Symbol von Batman erinnert. Die Forschungsergebnisse könnten die Datenspeicherung auf Festplatten kompakter, schneller und effizienter machen.
- Maximale Effizienz, minimaler EinsatzDünnschichtsolarzelle auf Siliziumbasis nutzt mit organischer Zusatzschicht auch infrarotes Licht
- Elektronenspin-Flips unter neuem LichtWissenschaftler im Berlin Joint EPR Lab am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der University of Washington (UW) haben eine neue theoretische Beschreibung ausgearbeitet, die es erlaubt, Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen Spin-Zuständen in „Elektronen Paramagnetische Resonanz“ (EPR)-Experimenten mit beliebiger Orientierung und Polarisation der anregenden Strahlung zu berechnen. Die Physiker haben den neuen Ansatz bereits mit einem Terahertz-EPR-Experiment an der Synchrotronquelle BESSY II getestet und veröffentlichen ihre Arbeit am 6. Januar 2015 im renommierten Fachjournal Physical Review Letters (DOI 10.1103/PhysRevLett.114.010801).
- Neues Puzzleteil zum Verständnis von HochtemperatursupraleiternEin internationales Forscherteam hat Ladungsdichtemuster in einem besonders reinen Hoch-Tc-Supraleiter identifiziert und damit gezeigt, dass dieses Phänomen eine allgemeine Eigenschaft in Hoch-Tc-Materialien ist. Zusätzlich konnten sie eine Beziehung zwischen Quantenoszillationen unter Magnetfeldern mit der räumlichen Verteilung der Ladungsmuster herstellen.
- Organische Schicht addiert das LichtSolarzellen können nur Photonen mit einer bestimmten Mindestenergie für die Stromerzeugung nutzen. Ein deutsch-australisches Team hat ein organisches Material in Solarzellen eingesetzt, das Photonen mit niedriger Energie zu einem Photon mit höherer Energie „addiert“, dessen Energie für die Nutzung in der Solarzelle ausreicht. Nun geben die Forscher in einem eingeladenen Beitrag im renommierten Fachmagazin Energy & Environmental Science eine Übersicht über das interessante Phänomen der Aufkonversion und melden neue Ergebnisse. So bleiben die organischen Schichten länger stabil als erwartet und könnten sich auch für andere optoelektronische Bauteile eignen.
- Warping in Topologischen IsolatorenTopologische Isolatoren gelten als Hoffnungsträger für den verlustlosen Strom- und Informationstransport. Nun haben HZB-Physiker um Jaime Sánchez-Barriga erstmals untersucht, ob die Bewegungsrichtung von Elektronen in Topologischen Isolatoren Einfluss auf ihr Verhalten hat. Dabei identifizierten sie Richtungen, in denen die Elektronen sehr viel anfälliger für Streuverluste sind und daher den Strom schlechter leiten. Um ihr Ergebnis zu erklären, bezogen sie erstmals auch den Spin der Elektronen ein und stellten damit eine vorherrschende Vorstellung in Frage. Das Ergebnis könnte die Forschung an Toplogischen Isolatoren beflügeln, insbesondere wenn in Zukunft durch BESSY-VSR deutlich kürzere Lichtpulse zur Verfügung stehen, um die Dynamik der Elektronen zu untersuchen. Ihre Studie zum „Warping“ von topologischen Isolatoren wurde in der Zeitschrift Physical Review B publiziert und als "Editor's Suggestion" ausgewählt, nur sechs Prozent der dort veröffentlichten Artikel erfahren eine derartige Würdigung.
- Was Details in Röntgen-Spektren (RIXS) alles verratenEine Studie aus dem HZB zeigt im neuen Journal "Structural Dynamics", wie sich mit RIXS–Spektroskopie die Dynamik der elektronischen und molekularen Struktur in komplexen Flüssigkeiten und Materialien untersuchen lässt und wirft neues Licht auf ein bislang unverstandenes Phänomen.
- Open Access: Webinar für Helmholtz-Doktorand/-innenIm Rahmen der internationalen Open Access Week 2014 finden weltweit Veranstaltungen statt um für den freien Zugang zu Wissen zu werben und zu informieren.
- Tage der Forschung in AdlershofAm 25. und 26. September fanden in Adlershof die jährlichen Tage der Forschung statt. Das HZB bot rund 90 Schülerinnen und Schülern in drei unterschiedlichen Programmpunkten einen Einblick in die Welt der Forschung.
- Deutsche Gesellschaft für Materialkunde zeichnet Publikation mit HZB-Beteiligung aus.
Die Deutsche Gesellschaft für Materialkunde (DGM) hat auf ihrer Jahrestagung am 22. September 2014 den Werner-Köster-Preis für die beste Publikation in der Zeitschrift „International Journal of Materials Research“ vergeben. Zu den Autoren gehört auch der HZB-Wissenschaftler Dr. Michael Tovar. Die Arbeit untersucht die katalytische Wirkung von Vanadiumpentoxid bei der Synthese von Propen aus Propan mit spektroskopischen, mikroskopischen und röntgenografischen Methoden.
- „Multispektral - Brille“ für das RasterelektronenmikroskopReflektionszonenplatten aus dem HZB ermöglichen den präzisen Nachweis von leichten Elementen in Materialproben unter dem Rasterelektronenmikroskop, indem sie hohe Auflösung im Energiebereich von 50 – 1120 eV bieten.
- Sichtbar: Das Forschungsmagazin aus dem HZBDie neue Sichtbar ist erschienen. Mit Interviews, Hintergrundberichten und Meldungen zeigt das Magazin, an welchen Fragen HZB-Forscherinnen und -Forscher arbeiten: Von neuen Solarzellen bis hin zu Mikrogelen, aus denen sich komplexe funktionale Materialien für medizinische Anwendungen komponieren lassen, zum Beispiel für eine effizientere Dialyse.
- Proteine: Neue Materialklasse entdecktDeutsch-chinesisches Forscherteam führt zentrale Untersuchungen zu „Protein Crystalline Frameworks“ an BESSY II des HZB durch
- Neuer „lichtblick“ onlineEin Denkmal im Ehrenhof der Humboldt-Universität erinnert seit kurzem an Lise Meitner – das erste Denkmal für eine Wissenschaftlerin in Deutschland überhaupt. Über die außergewöhnliche Wissenschaftlerin und die Entstehung der Bronze berichten wir in der aktuellen Ausgabe der HZB-Mitarbeiterzeitung „lichtblick“, die jetzt auch online ist.
- Nanoteilchen aus Gold gruppieren sich selbständigEine erstaunliche Beobachtung haben Forscher des HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin gemacht: Sie untersuchten die Bildung von Gold-Nanoteilchen in einem Lösungsmittel und stellten fest, dass sich die Nanoteilchen nicht gleichmäßig verteilten, sondern von selbst zu kleinen Clustern gruppierten.
- Was passiert in Stahl unter Belastung?Umwandlung von Kristalliten mit neuartiger Neutronentomografie dreidimensional kartiert
- Künstliches Mottenauge als LichtfängerForscher der EMPA bei Zürich und der Universität Basel haben an BESSY II eine photoelektrochemische Zelle untersucht, deren Oberfläche ähnlich wie ein Mottenauge strukturiert ist. So fängt sie deutlich mehr Licht ein, was Ausbeute an gewonnenem Wasserstoff erhöht. Für die Strukturierung verwendeten sie preiswerte Materialien wie Wolframoxid und Rost.
- „Haut mit Muskeln“: Einfache Formeln beschreiben komplexes VerhaltenHZB-Forscher hilft Chemikern, mechanische Eigenschaften „biomimetischer“ Materialien zu verstehen
- Elektrostatik reicht schon:Einfaches Modell beschreibt, was zwischen organischen Halbleitern und Metallen geschieht
- Schärfer sehen mit RöntgenlichtHZB Team entwickelt dreidimensionale Röntgenoptiken für Volumenbeugung
- #HZBzlog gewinnt Deutschen Preis für Onlinekommunikation als beste MicrositeSeit etwa vier Monaten ist das HZB-Zukunftslogbuch #HZBzlog mit seiner ungewöhnlichen Episodenstruktur online, und es findet immer mehr Fans. Die als Langzeitdokumentation angelegte Seite öffnet ein Fenster in die Forschung und gibt den Blick frei auf die Geschichten hinter den Kulissen. Täglich surfen zwischen 500 und 1.000 Menschen auf der Seite und warten gespannt auf neue lebendige Einträge rund um die großen Zukunftsprojekte am HZB. Vier Monate nach dem Start gewinnt das neue HZB-Portal nun den von der Deutschen Presseakademie herausgegebenen "Deutschen Preis für Onlinekommunikation" und ist auf dem besten Weg, ein Erfolg zu werden.
- Neuer Lichtblick erschienenAm Campus Wannsee entstehen neue Labore für die Materialsynthese: In unserer Mitarbeiterzeitung "lichtblick" berichten wir erstmals über das neue Bauvorhaben, das Materialforscherinnen und -forscher anlocken soll. Die Labore werden benötigt, um erfolgreich neuartige Materialkonzepte für die Energieumwandlung und -speicherung zu charakterisieren.
- Neues Behandlungskonzept gegen KrebsEin Forscherteam von fünf schwedischen Universitäten hat einen neuen Weg gefunden, Krebs zu behandeln. Ihr Konzept haben die Wissenschaftler jetzt im Fachjournal „Nature“ vorgestellt. Es basiert darauf, ein für Krebszellen charakteristisches Enzym mit der Bezeichnung MTH1 zu blockieren. Im Gegensatz zu normalen Zellen brauchen Krebszellen MTH1, um zu überleben. Ohne MTH1 werden oxidierte Nukleotide in die Krebs-DNA integriert – letale DNA-Doppelstrangbrüche sind die Folge.
- Elektronenspins mit Licht steuernHZB-Wissenschaftler beeinflussen den Elektronenspin an der Oberfläche Topologischer Isolatoren gezielt mit Licht
- HZB-Zeitung "Lichtblick" erschienenViele Menschen, die in einem Forschungszentrum arbeiten, bleiben unsichtbar. Sie sind Dienstleister für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler – oder machen, wie der Strahlenschutzexperte, Dr. Guido Buchert, das Forschen an den Großgeräten erst möglich. In dieser Ausgabe stellen wir seinen Berufsweg und sein höchst verantwortungsvolles Aufgabengebiet vor.
- Was Superlegierungen super macht - Hierarchische Mikrostruktur in einer SuperlegierungForscher haben erstmals detailliert beobachtet, wie sich durch Wärmebehandlung eine hierarchische Mikrostruktur in einer Superlegierung entwickelt
- Neues holografisches Verfahren nutzt „bildstabilisierte Röntgenkamera“Ein Team um Stefan Eisebitt hat ein neues Röntgen-Holografie-Verfahren entwickelt, das „Schnappschüsse“ von dynamischen Prozessen mit bisher unerreichter Auflösung in Aussicht stellt. Die Effizienz des neuartigen Verfahrens beruht auf einer fokussierenden Röntgenoptik, die mit dem abzubildenden Objekt fest verbunden ist. Dadurch liefert das Verfahren zwar zunächst eine unscharfe Abbildung, diese kann im Nachhinein jedoch fokussiert werden. Gleichzeitig löst dieser Trick (nämlich die feste Verbindung zwischen Objekt und Fokussieroptik) elegant das Problem des „Verwackelns“, das auf Nanometerskala eine enorme Rolle spielt.
- Starre Ordnung konkurriert mit SupraleitungHeute in Science Express: In Hochtemperatursupraleitern wie den Cupraten können die Ladungsträger sich zu winzigen „Nanostreifen“ anordnen, was die Supraleitung unterdrückt, zeigten Gastforscher aus Princeton und Vancouver an BESSY II
- HZB-Zeitung "lichtblick" erschienenIn der aktuellen Ausgabe der Lichtblick stellen wir Ihnen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus dem HZB vor. Jessica Neumann leitet das Rechnungs- und Finanzwesen und stellt sicher, dass das HZB immer genug Geld auf dem Konto hat - eine herausfordernde Aufgabe, die Fingerspitzengefühl und Kommunikationsstärke erfordert.
- Druckfrisch: HZB-Highlightbericht 2012Der neue Leistungsbericht des HZB mit Highlights aus Nutzer- und Eigenforschung ist erschienen. Von der Achillesferse des Malaria-Erregers bis zum Turbo für Solarzellen beschreibt die Broschüre exemplarisch, welche Ergebnisse Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 2012 an der Neutronenquelle BER II, am Elektronenspeicherrring BESSY II und in der Energieforschung erzielt haben. Doch mit dem Highlightbericht blicken wir auch in die Zukunft: Die neue strategische Ausrichtung des HZB auf das Schwerpunktthema „Energie“, Upgrade-Projekte an BESSY II; Neuberufungen und Kooperationen mit Universitäten und Forschungseinrichtungen im In- und Ausland sind ebenfalls wichtige Themen.
- Neue "lichtblick" erschienenGroßes Interview mit der Geschäftsführung zur Zukunft des HZB
- HZB-Forscher stoßen Tor für die Festkörperphysik aufLaserprozesse jetzt auch mit Röntgenstrahlen am Festkörper beobachtet
- Neue Werkzeuge, um molekulare Wechselwirkungen zu verstehenChemische Prozesse in Organismen aber auch in anorganischen „nassen“ Systemen wie Katalysatoren oder neuen funktionalen Materialien sind höchst komplex und viele sind bisher nur sehr grob verstanden. Denn es ist überaus schwierig, experimentell zu verfolgen, wie Atome oder Moleküle in Lösung miteinander reagieren, Bindungen eingehen oder auflösen. Bisher konnten Forscher mit spektroskopischen Verfahren nur eine Überlagerung aller Wechselwirkungen beobachten, nicht jedoch einzelne Bindungsvorgänge unterscheiden. Das könnte sich durch eine aufsehenerregende Arbeit von HZB-Forschern um Emad Flear Aziz nun ändern. Er entwickelte ein verfeinertes Messverfahren, mit dem er eine Art Fingerabdruck der Wechselwirkungen nehmen kann. Aus diesem „Fingerabdruck“ lassen sich mit Hilfe eines theoretischen Werkzeugs, das Oliver Kühn, Universität Rostock, entwickelt hat, einzelne Reaktionen identifizieren. Die Arbeit ist nun in den Physical Review Letters veröffentlicht.
- Idealer Nanokristall aus Massenkunststoff hergestelltPolyethylen ist ein Massenkunststoff, der in vielen Haushaltsgegenständen zu finden und daher besonders preiswert herzustellen ist. Einem Forscherteam aus Konstanz, Bayreuth und Berlin gelang es nun, aus diesem Kunststoff einen idealen Nanokristall zu synthetisieren. Voraussetzung dafür war ein neuartiger Katalysator, den die Gruppe der Universität Konstanz hergestellt hat sowie eine Kombination von einzigartigen Analysemöglichkeiten, wie sie am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zu finden sind. Die kristalline Nanostruktur, die dem Kunststoff neue Eigenschaften verleiht, könnte zum Beispiel für die Herstellung neuartiger Beschichtungen interessant sein. Die Wissenschaftler veröffentlichen ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Journal of the American Chemical Socity (DOI: 10.1021/ja4052334).
- Acta Student Award für Melanie-TimpelDr. Melanie Timpel hat für ihren Beitrag in der Zeitschrift Acta Materialia den „Acta Materialia Student Award 2012“, der mit einem Preisgeld in Höhe von 2000 US-Dollar dotiert ist, erhalten. Dieser Preis gilt als hohe Auszeichnung für junge Wissenschaftler. Die Preisübergabe findet im Rahmen der Konferenz Material Science & Technology (MS&T) am 28.10.2013 in Montreal, Kanada statt.
- Pikosekunden schnelle Zeitlupe belegt: Oxid-Materialien schalten deutlich schneller als HalbleiterEin internationales Forscherteam unter maßgeblicher Beteiligung von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) beobachtet den Schaltprozess zwischen nichtleitendem und leitendem Zustand in Eisenoxid (Magnetit) mit bislang unerreichter Präzision. In der aktuellen online-vorab-Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials (DOI: 10.1038/NMAT3718) beschreiben sie, dass der Schaltprozess in einem Oxid in zwei Stufen abläuft und mehrere tausend Mal schneller ist als in heute üblichen Transistoren.
- Katalysatoren bei der Arbeit zugeschaut – auf atomarer EbeneInnovative Methodenkombination am HZB führt zu grundlegenden Erkenntnissen in der Katalyseforschung
- Solarzellen beim Wachsen zusehenErstmals ist es Wissenschaftlern um Dr. Roland Mainz und Dr. Christian Kaufmann am HZB gelungen, das Wachstum von hocheffizienten Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen in Echtzeit zu beobachten und zu untersuchen, wie sich Defekte und Fehlstellen bilden und auflösen, die den Wirkungsgrad mindern können. Sie haben dafür eine Messkammer am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II entwickelt, in der sie verschiedene Messmethoden kombinieren können. Ihre Ergebnisse zeigen, in welchen Stadien das Wachstum beschleunigt werden könnte und wann mehr Zeit wichtig ist, um Defekte zu reduzieren. Die Arbeit wurde nun in den Advanced Energy Materials online veröffentlicht.
- Glasklare Methode, um Glas von Flüssigkeit zu unterscheidenViele feste Materialien werden aus der Schmelze heraus produziert. Je nachdem wie rasch die Abkühlung verläuft, bauen sich dabei innere Spannung auf. Ein Beispiel sind die Prinz-Rupert-Tropfen oder Bologneser Tränen: Ihr dickes Ende hält sogar Hammerschlägen stand, während schon ein leichter Druck am dünnen Ende die gesamte Träne zerspringen lässt. Auch die Eigenschaften von Sicherheitsglas und Gorillaglas werden durch innere Vorspannungen bestimmt. Doch bislang war kaum verstanden, welche Besonderheiten der Glaszustand im Vergleich zu einer zähen Schmelze aufweist. Mit einem überraschend einfachen Modell hat nun eine große Kooperation aus mehreren Forschungsteams aus Deutschland und Kreta erklären können, was Glas und Schmelze voneinander unterscheidet.
- Zwei Humboldt-Stipendiaten forschen am HZB: In der neuen Lichtblick stellen wir Jan Heyda und Stefano Angioletti-Uberti vorDie Qualität des Alexander-von-Humboldt-Stipendiums ist weltweit anerkannt. Die Nachwuchswissenschaftler Stefano Angioletti-Uberti und Jan Heyda haben sich für dieses Stipendium entschieden, obwohl sie gleich mehrere Angebote für einen Forschungsaufenthalt im Ausland bekommen hatten. Beide forschen am HZB-Institut für Weiche und Funktionale Materialien bei Joachim Dzubiella. Sie interessieren sich für stimuli-responsive Polymaterialien. Wir stellen sie in der neuen Ausgabe der Lichtblick vor.
- Magnetischer Fingerabdruck von Grenzflächendefekten im Photostrom von Siliziumsolarzellen gefundenHZB-Physiker haben mit einer hochempfindlichen Messmethode an Heterokontakt-Siliziumsolarzellen erstmals wichtige Defektzustände direkt nachgewiesen, denen man schon lange auf der Spur war. Unterstützt durch Computersimulationen, die an der Universität Paderborn erstellt wurden, konnten sie nun die Natur dieser Defekte mit atomarer Genauigkeit bestimmen. Die Defekte lagern sich genau an der Grenze zwischen dem Siliziumwafer und der nur wenige Nanometer dünnen Schicht aus amorphem Silizium an.
- Schwache Dotierung verbessert polymerbasierte FeldeffekttransistorenIn der organischen Elektronik haben sich Mischsysteme, in denen halbleitende Makromoleküle in einer isolierenden Polymermatrix eingebettet sind, als besonders geeignet für die Herstellung von Transistoren erwiesen. Bislang waren die Gründe dafür nicht genau bekannt. Nun konnten Wissenschaftler aus mehreren Forschungseinrichtungen die komplexe Morphologie dieser Mischsysteme aufklären und damit die elektronischen Eigenschaften erklären.
- Schloss-Schlüssel-Passung wird durch Wasserfluktuationen moderiertHZB-Forscher zeigen, dass Wasser beim Transport von pharmazeutischen Wirkstoffen mehr ist als nur ein Lösungsmittel
- Towards imaging ultrafast evolution in a single shot
Research carried out by BESSY scientists in collaboration with colleagues from SLAC and SOLEIL has been featured as Editors’ Choice in the Nov. 23 issue of the Science Magazine. In the Optics Letters article by W. F. Schlotter et al., multiplexed x-ray holograms generated simultaneously from many objects are presented. The feasibility of this approach implies that ultrafast pump-probe time sequences can be recorded with free electron x-ray lasers in this way.