UHV-Sputteranlage mit temperaturvariablem UHV/in-situ H-Rastertunnelmikroskop

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554851635

Die Untersuchung des Speicher- und Versprödungsverhaltens von Materialien (M) in Wechselwirkung mit Wasserstoff (H) sind essentiell für deren Einsatz in der angestrebten klimaneutralen Wasserstofftechnologie. Seit mehr als 25 Jahren widmet sich die Arbeitsgruppe von Frau Prof. Pundt dem grundlagenphysikalischen Verhalten solcher Systeme in defektreicher oder nanoskaliger Form. Rein lineare Elastizität über den kompletten H-Konzentrationsbereich, mechanische Spannungen von -10 GPa und im M-H Phasendiagramm drastisch veränderte Phasenstabilitäten sowie unterdrückte Mischungslücken sind Ergebnisse dieser Untersuchungen, insbesondere bei ultradünnen Schichten. Die Tunnelmikroskopie hat sich dabei als extrem starke Methode herausgestellt, da Hydridbildung lokal empfindlich durch Oberflächentopographieänderungen detektiert wird. Durch die Berufung von Frau Prof. Pundt ans KIT werden nun thermodynamische Modelle entwickelt, die den Beitrag mechanischer Spannungen und verschiedenster Defekte auf chemische Potentiale berücksichtigt. Mit dem beantragten T-variablen UHV-STM wird es möglich werden, Phasenumwandlungen und Reaktionen in Nanomaterialien bei verschiedenen Temperaturen nachzuweisen und so postulierte Effekte im Phasendiagramm zu ermitteln. Ein Hintergrunddruck im UHV ist dabei essentiell wichtig, da H-affine Speichermaterialien schnell oxidieren. Die Proben sind daher direkt nach der Präparation unter UHV-Bedingungen zu transferieren und im UHV-STM unter Zugabe eines Wasserstoffpartialdruckes zu analysieren. Am KIT kommen bei Frau Pundt verstärkt Prüfverfahren zum Einsatz, die großflächige oder auch massive Rundproben benötigen. Es ist ein Ziel, die H-Konzentration in den großflächigen (Rund-) Proben gezielt einzustellen. Hierfür ist es nötig, die großflächige Rundprobe in ihrer Längsachse rotieren zu können, um sie zunächst durch eine Oberflächenbehandlung von ihrer natürlichen Oxidschicht zu befreien, mit einer die H-Aufnahme katalysierenden Lage (Pd oder Ni) zu beschichten und anschließend in ihrem mechanischen Verhalten zu analysieren. Durch dieses Verfahren werden zukünftig auch Messungen an Prüfmaschinen in direkter H-Umgebung möglich sein, wobei die H-Aufnahme gewährt sein sollte. Die beantragte UHV-Sputteranlage mit temperaturvariablem UHV/in-situ STM wird vielfältige Untersuchungen in beiden Themenbereichen und darüber hinaus ermöglichen und somit eine Vielzahl von neuen grundlagenorientierten Untersuchungen generieren. Sie erweitert damit das Potential der Abteilung von Frau Pundt, in der eine auf Nanomaterialien ausgerichtete UHV-Sputteranlage mit UHV (und Wasserstoffbeladung) - Tunnelmikroskop (Baujahr 1998) erfolgreich eingesetzt wird, essentiell um die Möglichkeit der Deposition auch dicker Schichten (im µm Bereich), der Reinigung und Beschichtung großflächiger Proben und Rundproben und der Messung thermodynamischer und kinetischer Eigenschaften von Systemen im STM unter H-Umgebung und bei verschiedenen Temperaturen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: UHV-Sputteranlage mit temperaturvariablem UHV/in-situ H-Rastertunnelmikroskop
• Gerätegruppe: 8330 Vakuumbedampfungsanlagen und -präparieranlagen für Elektronenmikroskopie
• Antragstellende Institution: Karlsruher Institut für Technologie
• Leiterin: Professorin Dr. Astrid Pundt