Hochauflösende Röntgenmikroskopie für korrelative Tomographie, Hochdurchsatzscreening und in situ mechanische Prüfung von Struktur- und Funktionswerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Erdmann Spiecker
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316992193

Hauptaufgabe der Werkstoffentwicklung ist das Design neuer Materialen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Dies erfordert die Kenntnis der Materialstruktur und Mechanismen sowie deren Wechselwirkungen auf allen Längenskalen. Daher besteht ein hoher Bedarf an Hochdurchsatz-Mikroskopie sowie an einem Workflow für komplementäre Charakterisierungsmethoden auf unterschiedlichen Längenskalen. Das Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM) der FAU Erlangen-Nürnberg verfügt über eine hochmoderne Ausstattung zur 3D-Charakterisierung auf kleinen und mittleren Längenskalen, wie z.B. Atomsonden-, (S)TEM- und FIB-Tomographie. Auf großen Längenskalen werden hingegen standardmäßig Röntgentomographiemethoden zur Werkstoff- und Fehleranalyse eingesetzt. Weiterentwicklungen der Röntgentechnologie haben dazu geführt, dass mittlerweile Auflösungen im Submikrometerbereich mit modernen Nano-CT-Geräten erreicht werden. Auflösungen bis 50 nm können jedoch bisher nur mittels Röntgenoptiken aus dem Synchrotronbereich erreicht werden. Diese hervorragende Auflösung ermöglicht es, die Lücke zwischen Elektronen- und Röntgentomographie zu schließen und vergleichbare Volumia zu untersuchen. Durch die direkte Verknüpfung beider Methoden werden des Weiteren Ansätze der Materialphysik mit Ingenieursanwendungen zusammengeführt. Die durch korrelative Tomographie ermöglichte skalenübergreifende 3D-Analyse stellt darüber hinaus wichtige Eingabegrößen für die Multiskalenmodellierung und die Integrierte Rechnergestützte Materialentwicklung zur Verfügung. Ziel des Antrags ist die Ergänzung der Geräteausstattung des CENEM mit einem hochauflösenden Röntgenmikroskop und die Etablierung eines Workflows sowie der Datenstrukturen für korrelative 3D-Charakterisierung und Multiskalenmodellierung. Insbesondere sollen folgende Ziele erreicht werden: Die Entwicklung korrelativer 3D-Mikroskopie mittels komplementären Tomographietechniken; die Etablierung skalenübergreifender Materialcharakterisierung durch Zielpräparation; die Durchführung zerstörungsfreier in situ 3D-Untersuchungen, z.B. mikromechanischer Tests; die Etablierung von Methoden zur direkten Nutzung von experimentellen 3D-Daten zur Materialmodellierung und -simulation sowie die Entwicklung neuer Methoden zum Hochdurchsatzscreening im Bereich der kombinatorischen Dünnschicht-Materialentwicklung. Diese Forschungsbereiche werden durch eine neue Professur (Tomographie von Materialien und Prozessen) getragen, welche gemeinsam von FAU und dem Entwicklungszentrum Röntgentechnologie (EZRT) des Fraunhofer Instituts IIS besetzt wird. Der vorliegende Antrag trägt innerhalb des FAU-Forschungsschwerpunkts Neue Materialien und Prozesse direkt zur Entwicklung von Funktions- und Strukturwerkstoffen bei und unterstützt mehrere SFBs (SFB/TR103, SFB814, SFB953), das Graduiertenkolleg In situ Mikroskopie mit Elektronen, Röntgenstrahlen und Rastersonden und den Exzellenzcluster EXC315 Engineering of Advanced Materials.

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: Röntgenmikroskop
• Gerätegruppe: 4070 Spezielle Röntgengeräte für Materialanalyse, Strukturforschung und Werkstoff-Bestrahlung
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Erik Bitzek; Professor Dr. Peter Felfer, Ph.D.; Professor Dr. Rainer H. Fink; Professor Dr. Mathias Göken; Professor Dr. Randolf Hanke; Professor Dr. Martin Hartmann; Professorin Dr.-Ing. Carolin Körner; Professor Dr.-Ing. Andreas Maier; Professor Dr. Klaus Mecke; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Peukert; Professor Dr. Stefan Sandfeld; Professor Dr.-Ing. Paul Steinmann; Professor Dr. Tobias Unruh