Doppelkorrigiertes analytisches TEM/STEM
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das doppeltkorrigierte analytische (Raster)-Transmissionselektronenmikroskop (TEM/STEM) mit Monochromator wird im Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM) betrieben und für vielfältige Fragestellungen in verschiedenen materialwissenschaftlich ausgerichteten Verbundprojekten eingesetzt. Zu diesen zählen das Exzellenzcluster EXC315 „Engineering of Advanced Materials“, die Sonderforschungsbereiche SFB 953 „Synthetische C-Allotrope“ und SFB-TR 103 „Vom Atom zur Turbinenschaufel – wissenschaftliche Grundlagen für eine neue Generation von einkristallinen Superlegierungen“, das Graduiertenkolleg GRK1896 „In situ Mikroskopie mit Elektronen, Röntgenstrahlen und Rastersonden“ sowie die Schwerpunktprogramme SPP 1594 „Topological Engineering of Ultra-Strong Glasses“ und SPP 1570 „Poröse Medien mit definierter Porenstruktur in der Verfahrenstechnik - Modellierung, Anwendungen, Synthese“. Das Anwendungsfeld ist dabei sehr breit gefächert und beinhaltet u.a. (i) mikro- und nanostrukturelle Analysen von Struktur- und Funktionsmaterialien mittels TEM und STEM, (ii) hochauflösende Untersuchungen der chemischen Zusammensetzung und der Bindungsverhältnisse mittels nanoanalytischer Verfahren, (iii) in situ TEM/STEM-Analysen von Proben unter gezielter thermischer oder mechanischen Belastung sowie (iv) tomographische 3D-Analysen von porösen und nanopartikulären Materialien. Im Folgenden werden ausgewählte Anwendungsbeispiele kurz beschrieben: Mittels hochauflösender (HR) TEM und STEM sowie Energie-dispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS) wurden verschiedene Halbleiter-Heterostrukturen charakterisiert. Dabei konnte z.B. der Kern/Schale-Wachstumsprozess von hexagonalen InGaN Quantenwell-Strukturen auf GaN- Whiskern in Abhängigkeit der Wachstumsbedingungen aufgeklärt werden. Auch an organischen Halbleiterbauelementen für opto-elektronische Anwendungen wurden mittels TEM/STEM und Nanoanalytik Morphologie-Bestimmungen durchgeführt. So wurde einerseits die Kombination aus STEM und EDXS verwendet, um den vertikalen Schichtaufbau komplexer Solarzellen-Architekturen, wie sie z.B. in Triple- Zellen vorliegen, vollständig zu charakterisieren. Andererseits wurde Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) und energie-gefiltertes TEM (EFTEM) verwendet, um die Morphologie und Materialverteilung in der aktiven Schicht der Solarzelle, bestehend aus organischen Materialien wie Polymeren bzw. kleinen Molekülen in Verbindung mit Fullerenen, zu bestimmen. Diese Morphologie-Studien konnten Aufschluss über die Leistungsfähigkeit der Solarzellen in Abhängigkeit von thermischen bzw. Lösungsmitteldampf-Behandlungen geben und den Einfluss von dritten organischen Komponente zur Leistungssteigerung erklären. Eine weitere interessante Schicht in Solarzellen ist die transparente und flexible Silber-Nanodraht-Elektrodenschicht für deren stabile Leistungsfähigkeit eine Ummantelung der Nanodrähte nötig ist. Diese wurde anhand von FIB-präparierten Querschnitten mittels STEM-EDX charakterisiert, ebenso die Natur der fünffach-verzwillingten Nanodrähte. Von großem Interesse sind in situ Versuche, um dynamische Prozesse zu verstehen. In diesem Zuge wurde das grundlegende Phänomen der Festphasenentnetzung metallischer Schichten, das z.B. bei Versagensprozessen von elektrischen Bauteilen eine Rolle spielt, eingehend studiert. Mittels eines modernen Chip-basierten Heizhalters und komplementären TEM-Methoden (in situ TEM, in situ STEM, in situ HRTEM und in situ Beugung) wurden mikroskopische und statistische Informationen quantitativ analysiert, wodurch der zeitliche Ablauf und die Kinetik der Entnetzung, des Kornwachstums und der Texturentwicklung in Gold-Filmen aufgeklärt werden konnte. Ein weiteres Anwendungsgebiet von in situ Mikroskopie stellen mechanische Verformungsstudien dar. Hier wurde u.a. die mechanische Verformung von nanoskaligen Siliziumdioxid-Kugeln studiert und der Zusammenhang von Kompressions-induzierter struktureller Anisotropie mit den mechanischen Eigenschaften hergestellt. Zur Aufklärung von verschiedenen materialwissenschaftlichen Fragestellungen wurden fortgeschrittene TEM Methoden, wie zum Beispiel konvergente Elektronenstrahlbeugung unter großen Winkeln (LACBED) oder differentieller Phasenkontrast (DPC), verwendet. Mit der Kombination aus LACBED, TEM, STEM, HRTEM, HRSTEM, EDX und in situ Heizversuchen wurde ein neuer Deformationsmechanismus in der γ/γ´ Mikrostruktur von CoNi-Superlegierungen identifiziert, der das Kriechverhalten bei hohen Temperaturen und niedrigen Zugspannungen dominiert. Des Weiteren wurde das innere Potential von Si- und GaAs-Proben mittels korrelativer Mikrobeugung und DPC-STEM präzise bestimmt und Details der Wechselwirkung der kohärenten Elektronensonde mit der Probe quantitativ studiert, wobei exzellente Übereinstimmung mit Modellrechnungen erzielt wurde. Eine weitere Methodenentwicklung im TEM stellt die präzise Temperaturmessung mittels Beugung dar. Basierend auf der parallelen Elektronenstrahlbeugung konnte eine Bestimmung der lokalen Temperatur an Nanopartikeln über den thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit einer Genauigkeit von 2,8 K (bis 900 °C) erzielt werden. Hierfür wurde eine spezielle Routine zur präzisen Justage der Strahlparallelität entwickelt. Wie die verschiedenen Anwendungsbeispiele zeigen, wurde und wird das doppeltkorrigierte analytische TEM/STEM mit seiner reichhaltigen Ausstattung intensiv genutzt und es konnten bereits in den ersten drei Jahren nach Inbetriebnahme verschiedenste materialwissenschaftliche Fragestellungen aufgeklärt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„A generic concept to overcome bandgap limitations for designing highly efficient multi-junction photovoltaic cells”,Nature Communications (2015) 6, 7730
Guo F., Li N., Fecher FW., Gasparini N., Ramirez Quiroz CO., Bronnbauer C., Hou Y., Radmilovic VV., Radmilovic VR., Spiecker E., Forberich K., Brabec C.
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„Encapsulation of silver nanowire networks by atomic layer deposition for indiumfree transparent electrodes”, Nano Energy (2015) 16, 196-206
Göbelt M., Keding R., Schmitt SW., Hoffmann B., Jaeckle S., Latzel M., Radmilovic VV., Radmilovic VR., Spiecker E., Christiansen S., Hoffmann B.
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„High efficiency and stability small molecule solar cells developed by bulk microstructure fine-tuning”, Nano Energy (2016) 28, 241-249
Min J., Jiao X., Sgobba V., Kan B., Heumüller T., Rechberger S., Spiecker E., Guldi DM., Wan X., Chen Y., Ade H., Brabec C.
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„In situ mechanical quenching of nanoscale silica spheres in the transmission electron microscope”, Scripta Materialia (2016) 121, 70-74
Mackovic M., Niekiel F., Wondraczek L., Bitzek E., Spiecker E.
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„Planar defect formation in the gamma' phase during high temperature creep in single crystal CoNi-base superalloys”, Acta Materialia (2016) 113, 335-349
Eggeler Y., Müller J., Titus MS., Suzuki A., Pollock TM., Spiecker E.
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„Texture evolution and microstructural changes during solid-state dewetting: A correlative study by complementary in situ TEM techniques”, Acta Materialia (2016) 115, 230-241
Niekiel F., Kraschewski SM., Schweizer P., Butz B., Spiecker E.
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„Correlative micro-diffraction and differential phase contrast study of mean inner potential and subtle beam-specimen interaction”, Ultramicroscopy (2017) 176, 233-245
Wu M., Spiecker E.
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„Crystallization of sensitizers controls morphology and performance in Si-/C-PCPDTBT-sensitized P3HT: ICBA ternary blends”, Macromolecules (2017) 50, 2415-2423
Du X., Jiao X., Rechberger S., Perea Ospina JD., Meyer M., Kazerouni N., Spiecker E., Ade H., Brabec C., Fink R., Ameri T.
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„Local temperature measurement in TEM by parallel beam electron diffraction“, Ultramicroscopy (2017) 176, 161-169
Niekiel F., Kraschewski SM., Müller J., Butz B., Spiecker E.
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„Understanding GaN/InGaN core–shell growth towards high quality factor whispering gallery modes from nonpolar InGaN quantum wells on GaN rods”, Nanotechnology (2017) 28, 485601
Tessarek C., Rechberger S., Dieker C., Heilmann M., Spiecker E., Christiansen S.
