Zentrum für Hochdurchsatz-Screening von funktionellen Gläsern und Glaskeramiken mittels analytischer Röntgenmikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf B. Wehrspohn
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316987262

Röntgenmikroskope haben im Labormaßstab ein Niveau erreicht, mit dem eine räumliche Auflösung von 50 nm routinemäßig einsetzbar ist. Daher werden sie intensiv für die Untersuchung von Metallen und Legierungen eingesetzt. Im Bereich komplexer Oxide wartet eine Vielzahl hochinteressanter Anwendungen dieser aufstrebenden Mikrostrukturdiagnostiktechnik darauf untersucht zu werden. Die räumliche Auflösung wird als für diese Materialklasse ausreichend erachtet. Kritisch ist hingegen, dass einerseits dreidimensionale Elementverteilungen in Multikomponentensystemen (wie Glaskeramiken) und andererseits verbesserte Ansätze für die Probenpräparation verfügbar zu machen sind, bevor die Röntgenmikroskopie breit eingesetzt werden kann, um die Mikrostruktur derartiger Materialien zu untersuchen. Um chemisch kontrastierte Röntgenmikroskopie an komplexen Oxiden zu ermöglichen, werden die folgenden methodischen Weiterentwicklungen der existierenden Technik vorgeschlagen: Zunächst kommt die Ablation mit ultrakurzen Laserpulsen zum Einsatz, um perfekt zylindrische Probekörper mit einem plattenförmigen Referenzvolumen an einem Ende zu erzeugen. Nach einem Ionenstrahlnachdünnschritt werden rasterelektronenmikroskopische EDX-Elementverteilungsaufnahmen an diesem Referenzvolumen aufgenommen. Diese werden, unter Nutzung einer Korrelationssoftware, in einem dritten Schritt mit den röntgenmikroskopischen 3D-Daten überlagert, um chemisch kontrastierte 3D-Datensätze zu erhalten. Das auf diese Weise verbesserte, röntgenmikroskopische Großgerätezentrum bietet optimale Voraussetzungen für Grundlagenforschung zur Kristallisation von Gläsern und andere aktuelle Themen mit Bezug zu komplexen Oxiden. Diese Untersuchungen profitieren dabei ganz klar (verglichen mit etwa TEM) von einem deutlich verbesserten Volumen-zu-Oberflächen-Verhältnis, welches es erlaubt, deutlich repräsentativere (and damit statistisch signifikantere) Probenvolumina zu durchleuchten. Darüber hinaus kann die zeitliche Entwicklung ein und desselben Ziel-Probenvolumens während einer Wärme-behandlung nachvollzogen werden, wobei Gradienten-getemperte Proben den Durchsatz erhöhen helfen. Exemplarisch untersetzt mit zehn Fallbeispielen mit hoher Relevanz für die Grundlagenforschung wird der oben skizzierte workflow erprobt und als Nutzerzentrum der Deutschen Wissenschaftsgemeinschaft zugänglich gemacht, die ein Interesse an der beschleunigten Entwicklung komplexer Oxide mit neuen Eigenschaften hat. Die derart gewonnenen experimentellen Daten sollen nicht nur der Etablierung von Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen dienen, sondern auch die Basis für integrated computational materials engineering-Ansätze bilden und dabei helfen, den materials data space aufzubauen. Damit werden sie eine Schlüsselrolle für zukünftige Materialentwicklungen spielen.

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: Analytisches Röntgenmikroskop
• Gerätegruppe: 4070 Spezielle Röntgengeräte für Materialanalyse, Strukturforschung und Werkstoff-Bestrahlung
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Joachim Deubener; Professor Dr. Dirk Enke; Professor Dr. Peter Gumbsch; Professor Dr. Thomas Höche; Professor Dr. Dominique de Ligny; Professorin Dr. Ingrid Mertig; Dr. Ralf Müller; Professor Dr.-Ing. Hans Roggendorf; Professor Dr.-Ing. Christian Rüssel; Professor Dr. Stefan Schweizer