ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer)

• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550487435

Bei dem hier beantragten Instrument handelt es sich um ein Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer (ToF-SIMS), das eine oberflächenempfindliche Analytik erlaubt. Hierfür wird die Oberfläche mit einem fokussierter Ionenstrahl (z. B. Bismut) beschossen, um im Hochvakuum Atome, Moleküle oder Molekülfragmente ionisierend in die Gasphase zu überführen. Der Abtrag erfolgt idealerweise Schicht für Schicht mit hoher Tiefenauflösung. Die Ionen werden mittels Massenspektrometrie auf der Grundlage ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses m/Z identifiziert du quantitative erfasst. Dies geschieht durch Messung der Flugzeit, d. h. der Zeit, die sie benötigen, um den Detektor zu erreichen. In seiner grundlegendsten Funktion kann das ToF-SIMS als Oberflächenspektrometer zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung dieser eingesetzt werden. Der schichtweise Materialabtrag durch den Ionenstrahl erlaubt es aber auch Tiefenprofile zu erstellen mit einer hervorragenden Tiefenauflösung bis zu etwa 3-5 nm ermöglichen. Die laterale Auflösung beträgt zwischen 40 und 50 nm. In Kombination mit dem Tiefenprofil lassen sich 3D-Rekonstruktionen der Probenzusammensetzung erstellen. Da jedes Pixel ein Massenspektrum beinhaltet erhält man de facto sogar 4D-Informationen. Abgesehen von der räumlichen Auflösung bietet das beantrage ToF-SIMS noch eine Reihe weiterer Vorteile: i) Eine breite Palette von Massen können parallel nachgewiesen werden. Die Methode kann daher für ein sehr breites Spektrum von Materialien angewendet werden, einschließlich Metallen, Oxiden und sogar Polymeren und weicher Materie. ii) Spurenelemente können mit hoher Empfindlichkeit im ppm-Bereich nachgewiesen werden. iii) Die Hochvakuumumgebung kann gekoppelt werden mit Heiz-/Kühlstufen und Optionen für den inerten Transfer von Proben in oder aus Gloveboxen eröffnen für eine hohe experimentelle Flexibilität und das Arbeiten mit Proben, die in die Atmosphäre instabil sind. iv) Durch die Kombination mit einer Probenpräparation mittels Sputtern können Bilder von Probenquerschnitten erstellt werden. Das beschriebene Instrument ist daher ein einzigartiges Werkzeug mit hoher Flexibilität zur Untersuchung einer breiten Palette von Materialien, zur Beschreibung der chemischen Zusammensetzung und Funktionalität von Oberflächen und deren Morphologie, die aber auch eine vollständige Rekonstruktion der Volumeninformation erlaubt. Wir planen das beantragte ToF-SIMS für die Analyse einer breiten Palette von Materialien und technologisch relevanten Bauteilen anzuwenden. Die Hauptanwendung ist die Untersuchung von Batteriematerialien, von Elektroden über feste Elektrolyte bis hin zu den jeweiligen Grenzflächen, sowohl für Li-Ionen- als auch für die neue Generation von Na-Ionen-, Festkörper- und Li-S-Batterien. Weitere Einsatzbereiche werden Brennstoffzellen, Metalle und Legierungen, Komposite und Coatings aus verschiedenen Schichtverbindungen, Oxide für photoelektrochemische Anwendungen sowie biologische Proben sein.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer)
• Gerätegruppe: 1720 Spezielle Massenspektrometer (Flugzeit-, Cyclotronresonanz-, Ionensonden, SIMS, außer 306)
• Antragstellende Institution: Universität Bayreuth
• Leiter: Professor Dr. Matteo Bianchini