Winzige Atome mit höchster Präzision lokalisieren

Neuartiger Ansatz zur Strukturbestimmung von Kristallen

12.02.2018 - Deutschland

Forscher des Instituts für Experimentelle Physik (IEP) der TU Bergakademie Freiberg haben einen neuartigen Ansatz zur Strukturbestimmung von Kristallen erarbeitet und können so winzige Atome mit höchster Präzision lokalisieren. Dies ist gerade für die Materialforschung in der Halbleiterindustrie sowie in der Daten- und elektrochemischen Energiespeicherung von großer Bedeutung. Zum Einsatz kommen dabei sogenannte Resonante Röntgenbeugungsmethoden. Mit Hilfe der Beugungsseigenschaften des Röntgenlichts können die Freiberger Forscher die Atom-Position mit bisher nicht erreichter Genauigkeit bestimmen.

Ihren Ansatz haben die Forscher unter anderem an den Synchrotronen des Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und der Europäischen Synchotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble getestet. „Dort konnten wir Messungen weit unter einem Pikometer durchführen. Eine Milliarde Pikometer entsprechen dabei gerade mal einem Milimeter. Damit ermöglicht unser Verfahren eine hochpräzise Analyse der Kristallstruktur“, erklärt Dr. Matthias Zschornak, der die Synchrotronaktivitäten des IEP an der TU Bergakademie Freiberg unter Leitung von Prof. Dirk C. Meyer koordiniert.

Ein Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Elementarteilchen durch starke Magneten auf Kreisbahnen gehalten werden und durch die Ablenkung intensive Röntgenstrahlung aussenden. Es bietet insbesondere eine über einen weiten Spektralbereich präzise einstellbare Strahlungsenergie. In den letzten 30 Jahren wurden weltweit Milliarden in die Entwicklung und den Bau dieser Teilchenbeschleuniger investiert, um in neue Dimensionen der Orts- und Zeitauflösung vorzudringen. Diesem Ziel sind die Forscher nun mit ihrer Arbeit einen weiteren bedeutenden Schritt nährgekommen.

Zur Weiterentwicklung der Methode wurde am IEP im zurückliegenden Jahr das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Projekt REXSuppress gestartet. Neben chemischer Kristallographie stehen vor allem Schwerpunkte der Material- sowie der Geo-, Bio- und Umweltwissenschaften im Fokus der geplanten Forschung. Im derzeit im Bau befindlichen Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung untersuchen Freiberger Physiker künftig auch, wie sich die Strukturen unter hohem Druck und extremen Temperaturen verändern.

Originalveröffentlichung

Carsten Richter, Matthias Zschornak, Dmitri Novikov, Erik Mehner, Melanie Nentwich, Juliane Hanzig, Semën Gorfman & Dirk C. Meyer; "Picometer polar atomic displacements in strontium titanate determined by resonant X-ray diffraction"; Nature Communicationsvolume 9, Article number: 178 (2018)

https://www.chemie.de/news/1153403/winzige-atome-mit-hoechster-praezision-lokalisieren.html