Orbitalkartierung an Grenzflächen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ute Kaiser
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423465915

Laut Quantenmechanik bewegen sich die Elektronen in sogenannten Orbitalen um die Atomkerne. Aus diesen Orbitalen und deren Wechselwirkung miteinander lassen sich zahllose Materialeigenschaften wie z.B. mechanische Belastbarkeit und Haftung, optische, elektrische und magnetische Eigenschaften oder auch chemische Bindungen ableiten. Die Orbitale sind daher von zentraler Bedeutung für viele Wissenschaftsfelder von der Physik über die Chemie und Materialwissenschaft bis zur Biologie. Trotz ihrer zentralen Rolle ist es bislang allerdings sehr schwierig, einzelne Orbitale in Festkörpern direkt sichtbar zu machen und zu vermessen.In diesem Projekt werden wir die beiden Methoden der Transmissionselektronenmikroskopie und der Elektronenenergieverlustspektrometrie kombinieren, um einzelne Orbitale innerhalb ausgewählter Proben zu vermessen. Eine Herausforderung dabei liegt in der Größe der Orbitale und der benötigten Messpräzision begründet: sie sind weniger als ein milliardstel Meter groß (etwa tausendmal kleiner als die Wellenlänge des Lichts) und zur Messung wird ein Elektronenstrahl verwendet, der eine sehr genau bestimmte Energie an die Probe übertragen muss. Daraus resultiert, dass das zu messende Signal sehr schwach und stark verrauscht ist. Um diese Herausforderung zu meistern werden neueste Geräte der letzten Generation eingesetzt, um optimale Abbildungseigenschaften zu erreichen. Darüber hinaus werden sowohl theoretisch als auch praktisch die optimalen Abbildungsparameter wie Probendicke, Beschleunigungsspannung und Energieübertrag bestimmt. Zusätzlich werden neue Abbildungsverfahren wie Wellenfunktionsmodellierung und differentieller Phasenkontrast auf ihre Tauglichkeit für die Orbitalkartierung untersucht.Besonders Grenzflächen und Defekten in den Proben kommt bei der Orbitalkartierung besondere Bedeutung zu. Zum einen werden gewisse Aussagen über die Richtung von Orbitalen erst durch die lokale Änderung der Probe an Grenzflächen oder in der Nähe von Defekten möglich. Zum anderen spielen sie eine große Rolle in vielen praktischen Anwendungen wie der Haftung von Schutzschichten, der Effizienz elektronischer Bauteile oder der Entwicklung neuer Katalysatoren in der chemischen Industrie. Die neuartigen Ansätze zur Orbitalkartierung, die in diesem Projekt erarbeitet werden, werden daher zu einem nicht nur zu einem besseren Verständnis von Orbitalen sondern auch zu einer besseren praktischen Anwendbarkeit dieses Verständnisses führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Mitverantwortlich: Dr. Johannes Biskupek
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gerald Kothleitner; Professor Dr.-Ing. Stefan Löffler