Physikalisch begründete Volumen-Rekonstruktion für die 3D-Atomsonden-Mikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Guido Schmitz
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232117566

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für die hochauflösende analytische Mikroskopie der Atomsondentomographie wurden neue Rekonstruktionsverfahren erarbeitet, welche i) auf der Auswertung realistisch berechneter Ionentrajektorien und ii) auf einer statistischen Auswertung der Verteilung sehr vieler Events auf der Detektorfläche beruhen. Die entsprechende Software wurde programmiert und die prinzipielle Funktion der Konzepte nachgewiesen. Dazu wurden einerseits computerbasierte Modell-Datensätze rekonstruiert, die es erlauben die Qualität der Rekonstruktion exakt zu quantifizieren, andererseits auch experimentelle Datensätze, die bei Auswertung mit dem herkömmlichen Verfahren zu schwerwiegenden Artefakten führen. Die Untersuchungen zeigen, dass Methoden, die versuchen in einem „bottom-up“ Prozess die Probe Atom für Atom aufzubauen, nur auf sehr kleine Teilvolumina (etwa 100000 Atome) sinnvoll angewendet werden können, auch wenn sie auf eine exakte Berechnung der Trajektorien zurückgreifen. Bei der Rekonstruktion größere Volumina führen fehlende Atome in den experimentellen Datensätzen zu einer sich selbstverstärkenden Aufrauhung in der Spitzenform, die eine weitere sinnvolle Berechnung der Trajektorien verhindert. Bei weitere Zunahme der Detektoreffizienz könnten diese Verfahren eine breitere Anwendung finden. Das zweite Verfahren wertet vor der eigentlichen Rekonstruktion die Detektionsdichten vieler Ereignisse auf dem Detektor aus. Es führt zu einer wesentlichen Verbesserung der tomographischen Rekonstruktion bei vertretbarem numerischen Aufwand, so dass sich das Verfahren als Standard in der Atomsondentomographie etablieren könnte. Die Dichtevariation auf dem Detektor wird zunächst benutzt, um mit Methoden der Differentialgeometrie die konkrete Spitzenform zu erschließen. Erst in einem zweiten Schritt werden dann, mit Kenntnis dieser Spitzenform, die einzelnen Atome aufgrund ihrer individuellen Detektionsdaten positioniert. Der Erfolg dieses Verfahrens wird mittels Modellmessungen an Vielfachschichten nachgewiesen und die praktische Anwendbarkeit demonstriert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Atom probe reconstruction with a locally varying tip shape, Dissertation, Univ. Stuttgart 2019
  Daniel Beinke
  
• Evolution of γ/γ' phases, their misfit and volume fractions in Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6 compositionally complex alloy, Materials characterization 154, (2019) 363-376
  A. M. Manzoni, S. Haas, J. M. Yu, H. M. Daoud, U. Glatzel, H. Aboulfadl, F. Mücklich, R. Duran, G. Schmitz, D. M. Többens, S. Matsumura, F. A. Vogel, N. Wanderka
  
• ‘Atom probe reconstruction with a locally varying emitter shape’, J. Microscopy and Microanalysis 25 (2019) 2
  Daniel Beinke, Guido Schmitz
  
• Extracting the shape of nanometric field emitters, Nanoscale 2020, 12: 2820-2832
  Daniel Beinke, Felicitas Bürger, Helena Solodenko, Rachana Acharya, H. Klauk, Guido Schmitz
  
• On the formation of nano-sized precipitates during cooling of NiAl- strengthened ferritic alloys, Materials Characterization 171 (2021) 110722
  R. Lawitzki, D. Beinke, D. Wang, G. Schmitz