Funktionelle Materialien

Der Projektbereich »Zeitaufgelöste Spektroskopie an funktionellen Materialien und Flüssigkeiten« schafft mit neuen Instrumenten an FLASH und European XFEL verbesserte Voraussetzungen für die zeitaufgelöste Untersuchung energetischer Übergänge in Festkörpern und Flüssigkeiten. In Hamburg und Mainz wird dazu ein Problem mit einem Übermaß an Elektronen gelöst. Die Hamburger Gruppe realisiert zudem ein Instrument, das auch rasche Folgen von Elektroneneinschlägen exakt registriert. Ein Dortmunder Instrument für den European XFEL kann auch kurzlebige Zwischen­zustände chemischer Reaktionen aufzeichnen.

 

Die Projekte

 

Die Guten ins Töpfchen

Die gegenseitige Abstoßung von Photoelektronen macht das Messergebnis ungenau. Werden informationsarme Elektronen frühzeitig aussortiert, bleibt der Störeffekt beinahe aus.

Projektname: Raumladungskorrigiertes Elektronen-Impulsmikroskop für den harten Röntgenbereich am XFEL
Projektleitung: Dr. Katerina Medjanik (MAXLAB, Lund), Prof. Dr. Gerd Schönhense (Universität Mainz), Prof. Dr. Wilfried Wurth (Universität Hamburg)

In der Photoelektronenspektroskopie schließt man aus der Impulsverteilung von Elektronen, die aus einem Material durch Lichtenergie ausgelöst wurden, auf die chemische Zusammen­setzung von vorwiegend Festkörpern und deren Oberflächen. Mithilfe der intensiven Lichtblitze von Freie-Elektronen-Lasern lässt sich in volumensensitiven Messungen wesentlich weiter unterhalb der Materialoberfläche sondieren als es mit herkömmlichen Röntgenquellen möglich ist. Im Gegenzug verlässt mit jedem FEL-Puls gleich ein ganzer Schwarm von typischerweise tausend bis hunderttausend Elektronen das Material. Durch die hohe Ladung und die Fluktuationen im Schwarm kommt es zum sogenannten Raumladungsproblem, das die Aussagekraft von Messungen auf zwei mathematisch verschiedene Weisen begrenzt: Weil der Flug eines Elektrons sowohl vom gemittelten Elektronenschwarm als auch von einzelnen Elektronen daraus durch die Coulomb-Abstoßung beeinflusst wird, erreicht es das Spektrometer nicht mit dem gesuchten, ursprünglichen Impuls.

Grundvoraussetzung für die parallele Impulsbestimmung ist die präzise Ausrichtung der Probe durch einen Hexapod-Manipulator (mit Helium-Kühlung). Foto des Impulsmikroskops: Dr. Thomas Berg

Ziel dieses Projekts ist es, ein Impulsmikroskop für den Nutzerbetrieb am European XFEL zur Verfügung zu stellen, das das Raumladungsproblem bis zur physikalischen Grenze minimiert. Der konzeptionell neue Ansatz beruht auf einer Separation der Elektronenklassen und auf Simulationsrechnungen zur Korrektur des berechenbaren Teils des Raumladungsproblems. Zunächst wird ein großer Störanteil der Elektronen mithilfe eines elektrischen Feldes ausgesondert. Diese sogenannten Sekundärelektronen sind keine Photoelektronen im strengen Sinn, da sie nicht durch Lichtenergie sondern durch Energieaustausch mit echten Photoelektronen oder angeregten Ionen aus dem Material entweichen. Ihr Herkunftszustand und Ionisationshergang sind sehr schwer zu rekonstruieren. Wesentlich informativer dagegen ist die Impulsverteilung des übrigen Promilles bis Prozents an Elektronen. Ihre Bahnen zum Detektor können im nun raumladungsreduzierten Szenario mit Particle-in-Cell-Verfahren simuliert werden, wobei auch der deterministische Effekt aus der Wechselwirkung mit der gemittelten Schwarmladung einbezogen wird. Mithilfe der Simulationsergebnisse lässt sich dann die Signatur des Effekts im gemessenen Spektrum identifizieren und herausrechnen. In Testmessungen an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Berlin zeigte das raumladungskorrigierte Impulsmikroskop im Vergleich mit konventionellen Spektrometern eine um eine Größenordnung verbesserte Auflösung.

 


Flott und exakt

Chemische Reaktionen laufen extrem schnell ab. Ein Spektrometer am European XFEL nimmt auch flüchtigste Zwischenzustände auf – neuer Antrieb für die Femtochemie.

Projektname: Aufbau einer Instrumentierung für zeitaufgelöste Röntgen-Raman Spektroskopie auf Zeitskalen von Femto- bis zu Millisekunden
Projektleitung: Dr. Christian Sternemann (TU Dortmund), Prof. Dr. Metin Tolan (TU Dortmund)

Aus der charakteristischen Zusammensetzung der Röntgenstrahlung, die ein Molekül nach Wechselwirkung mit einem FEL-Puls abstrahlt, kann man die momentane Elektronenkonfiguration wie aus einem Fingerabdruck identifizieren. Die zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie ermöglicht es somit, auch Sequenzen extrem kurzlebiger Zustände nachzuverfolgen – sogenannte transiente Zustände, die nur für einige billiardstel bis billionstel Sekunden existieren, aber über den Ablauf und das Ergebnis biochemisch und technisch relevanter Reaktionen entscheiden. Um derartige transiente Zustände zu beobachten, muss das Röntgenspektrum mit einer geeigneten Instrumentierung detektiert werden, bevor der Zustand vergeht. Diese Instrumentierung muss die erforderliche Zeitauflösung garantieren und zudem stabil und reproduzierbar betrieben werden können.

Das von-Hamos-Röntgenspektrometer im Test an PETRA III. Foto: Britta von Heintze


Ziel dieses Projekts ist es, für das FXE-Instrument am European XFEL eine derartige ­Instrumentierung zur zeitaufgelösten Röntgenspektroskopie an Flüssigkeiten oder an Proben in flüssiger Lösung zu realisieren. Dazu wird eine Kombination aus Düsen für Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen, einem Detektor und einem von-Hamos-Röntgen­spektrometer aufgebaut. Am Schnittpunkt der beiden probeführenden Flüssigkeitsstrahlen bildet sich stationär ein Flüssigkeitsblatt, das mit rund zwanzig Mikrometern fünfmal dünner ist als ein typisches Blatt Papier. Durch Variation der Blattdicke lassen sich dann in Anrege-Abfrage-Experimenten das Signal beziehungsweise die Zeitauflösung optimieren. Am Spektrometer sind sechzehn Kristallsegmente aus Silizium zylinderförmig um die Probe angeordnet. An ihren Kristallebenen werden die spektralen Anteile der Strahlung unter unterschiedlichen Winkeln reflektiert. Da sie sich somit auf dem Detektorschirm verteilen, kann zeitgleich das gesamte Spektrum gemessen werden. Je nach Struktur und Ausrichtung der Kristallsegmente kann man wahlweise bis zu sechzehn gleiche Spektren überlagern, um die Signalstärke zu erhöhen, oder Spektren unterschiedlicher Elemente im Molekül detektieren und somit auch die Entwicklungen sehr unterschiedlicher Reaktionspartner gleichzeitig verfolgen. Mit dieser Instrumentierung können am European XFEL beispielsweise extrem kurzlebige Zwischenzustände von Metallkomplexen untersucht werden, deren Eigenschaften unter anderem zum Verständnis und zur Lenkung photokatalytischer Reaktionen von entscheidender Bedeutung sind.

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