HZB Newsroom

Feststoffbatterien können mehr Energie speichern und sind sicherer als Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Allerdings halten sie nicht so lange und ihre Kapazität nimmt mit jedem Ladezyklus ab. Doch das muss nicht so bleiben: Forscherinnen und Forscher sind den Ursachen bereits auf der Spur. In der Fachzeitschrift ACS Energy Letters stellt ein Team des HZB und der Justus-Liebig-Universität Gießen eine neue Methode vor, um elektrochemische Reaktionen während des Betriebs einer Feststoffbatterie mit Photoelektronenspektroskopie an BESSY II genau zu verfolgen. Die Ergebnisse helfen, Batteriematerialien und -design zu verbessern.

Die besonderen Eigenschaften von magnetischen Materialien aus der Gruppe der Seltenen Erden gehen auf Elektronen in der 4f-Schale zurück. Bislang galten die magnetischen Eigenschaften der 4f-Elektronen als kaum kontrollierbar. Nun hat ein Team von HZB, der Freien Universität Berlin und weiteren Einrichtungen erstmals gezeigt, dass durch Laserpulse 4f-Elektronen beeinflusst – und damit deren magnetische Eigenschaften verändert werden können. Die Entdeckung, die durch Experimente am EuXFEL und FLASH gelang, weist einen neuen Weg zu Datenspeichern mit Seltenen Erden.

Stellt man aus Biomasse Biodiesel her, fällt als Nebenprodukt Glycerin an. Bislang wird dieses Nebenprodukt jedoch wenig genutzt, obwohl es durch Oxidation in photoelektrochemischen Reaktoren (PEC) zu wertvolleren Chemikalien verarbeitet werden könnte. Der Grund dafür: geringe Effizienz und Selektivität. Nun hat ein Team um Dr. Marco Favaro vom Institut für Solare Brennstoffe am HZB den Einfluss der Elektrolyte auf die Effizienz der Glycerin-Oxidations-Reaktion in PEC-Reaktoren untersucht und Ergebnisse erhalten, die dabei helfen, effizientere und umweltfreundlichere Produktionsverfahren zu entwickeln.

Ein internationales Forschungsteam stellt in Nature Communications Physics das Funktionsprinzip einer neuen Quelle für Synchrotronstrahlung vor. Durch Steady-State-Microbunching (SSMB) sollen in Zukunft effiziente und leistungsstarke Strahlungsquellen für kohärente UV-Strahlung möglich werden. Das ist zum Beispiel für Anwendungen in der Grundlagenforschung, aber auch der Halbleiterindustrie sehr interessant.

Ein Team um Dr. Ioanna Mantouvalou hat eine Methode entwickelt, um die Verteilung von chemischen Elementen in Dentalmaterialien präziser als bisher möglich darzustellen. Die konfokale mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (micro-XRF) liefert dreidimensional aufgelöste Elementbilder, die Verzerrungen enthalten. Sie entstehen, wenn Röntgenstrahlen Materialien unterschiedlicher Dichte und Zusammensetzung durchdringen. Mit Mikro-CT-Daten, die detaillierte 3D-Bilder der Materialstruktur liefern, und chemischen Informationen aus Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) - Experimenten im Labor (BLiX, TU Berlin) und an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II haben die Forschenden das Verfahren nun verbessert.

Eine neue Methode in der Spektromikroskopie verbessert die Untersuchung chemischer Reaktionen auf der Nanoskala, sowohl auf Oberflächen als auch im Inneren von Schichtmaterialien. Die Raster-Röntgenmikroskopie (SXM) an der MAXYMUS-Beamline von BESSY II ermöglicht den hochsensitiven Nachweis von chemischen Gruppen, die an der obersten Schicht (Oberfläche) adsorbiert oder in der MXene-Elektrode (Volumen) eingelagert sind. Die Methode wurde von einem HZB-Team unter der Leitung von Dr. Tristan Petit entwickelt. Das Team demonstrierte die Methode nun an MXene-Flocken, einem Material, das als Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt wird.

Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, einen Zwischenschritt bei der Katalyse von Alkanen zu beobachten. Mit dem Verständnis dieser Reaktionen lassen sich in Zukunft bestehende Katalysatoren optimieren und neue finden, um zum Beispiel das Treibhausgas Methan in wertvolle Grundstoffe für die Industrie zu verwandeln.

Gefriergussverfahren sind ein kostengünstiger Weg, um hochporöse Materialien mit hierarchischer Architektur, gerichteter Porosität und multifunktionalen inneren Oberflächen herzustellen. Gefriergegossene Materialien eignen sich für viele Anwendungen, von der Medizin bis zur Umwelt- und Energietechnik. Ein Beitrag im Fachjournal „Nature Reviews Methods Primer“ vermittelt nun eine Anleitung zu Gefriergussverfahren, zeigt einen Überblick, was gefriergegossene Werkstoffe heute leisten, und skizziert neue Einsatzbereiche. Ein besonderer Fokus liegt auf der Analyse dieser Materialien mit Tomoskopie.

Die Infrarot-Beamline IRIS am Speicherring BESSY II bietet nun eine vierte Option, um Materialien, Zellen und sogar Moleküle auf verschiedenen Längenskalen zu charakterisieren. Das Team hat die IRIS-Beamline mit einer Endstation für Nanospektroskopie und Nanoimaging erweitert, die räumliche Auflösungen bis unter 30 Nanometer ermöglicht. Das Instrument steht auch externen Nutzergruppen zur Verfügung.

Anorganische 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.

Ein Team am HZB hat an BESSY II eine neue, einfache Methode untersucht, mit der sich stabile radiale magnetische Wirbel in magnetischen Dünnschichten erzeugen lassen.

Ein 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.

Die 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. 

Das 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.

Ende Februar 2024 hat ein Team am HZB einen Artikel in Synchrotron Radiation News (SRN) veröffentlicht. Darin beschreibt es die nächsten Entwicklungsziele für die Röntgenquelle sowie das Upgrade Programm BESSY II+ und die Nachfolgequelle BESSY III.

Hafniumoxid-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 Hf_0,5Zr_0,5O₂-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.

Ein 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 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.

Fumarat, 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.

Hochentropie-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.

Ein 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).

Für 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.

Anoden 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.

Die Highlights 2022 berichten über eine Auswahl der wichtigsten Forschungserfolge und Ereignisse am HZB.

Molybdändisulfid (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. 

Es 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.

Mit 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 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.

Magnetische 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.

In 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.