Entwicklung eines Transmissionselektronenenergieverlustspektrometers inklusive Flüssigheliumkryostats mit hoher spektraler, räumlicher und Impulsauflösung (HR3-EEL Spektrometer)

• Antragsteller: Dr. Thomas Gemming; Professor Dr. Martin Knupfer; Professor Dr. Axel Lubk
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461150024

In den vergangenen beiden Jahrzehnten gab es einen Schub in der Entwicklung von Spektroskopiemethoden zur Untersuchung niederenergetischer Anregungen in Festkörpern, was zu wichtigen Durchbrüchen beim Verständnis grundlegender Festkörpereffekte führte. Prominente Beispiele sind die winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie oder die Rastertunnelspektroskopie, welche unter anderem Bandlückenzustände an der Oberfläche von topologischen Isolatoren und anisotrope Bandlücken in Hochtemperatursupraleitern nachwiesen. Ermöglicht wurde dies durch eine hervorragende Energieauflösung (meV-Bereich) gepaart mit hoher räumlicher oder Winkelauflösung in der Untersuchung von Anregungen an der Oberfläche. Nichtsdestoweniger fehlt noch eine Spektroskopiemethode für die Analyse elektronischer und Vibrationsanregungen im Volumenmaterial (inklusive Oberfläche) mit gleichzeitig hoher Energie, Winkel- und räumlicher Auflösung unter kryogenen Bedingungen (Heliumkühlung). Ein solches Instrument würde es beispielsweise ermöglichen, verschiedene niedrigdimensionale Strukturen (z.B. Grenzflächen, van der Waals Strukturen) mit hoher Impulsauflösung in den ausgedehnten Dimensionen bei gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung in der inhomogenen Richtung zu untersuchen. Es würde die gezielte Anpassung der räumlichen und Winkelauflösung erlauben, um die dielektrischen Antwort in komplexen Nanostrukturen (z.B. plasmonische Bauelemente, organische Halbleiter, Defekte), einschließlich nichtlokaler Effekte, wie ortsabhängige Variationen der dielektrischen Dispersion, zu untersuchen. Ziel dieses Projektes ist es daher der Aufbau eines neuartigen Transmissionselektronenenergieverlustspektrometers mit den oben genannten Eigenschaften. Wesentliche Bestandteile sind ein neuartiger magnetischer Erdpotentialmonochromator, ein neuartiger flüssigheliumgekühlter Probenhalter und ein schneller 2D CMOS Detektor, die in eine modifizierte, hochmoderne TEM-Plattform integriert werden, welche u.a. über eine kalte Feldemissionsquelle und eine komplexe, frei konfigurierbare Kondensator- und Projektionsoptik verfügt. Das Gerät erreicht eine Energieauflösung im meV Bereich, eine räumliche Auflösung von einigen nm, eine Impulsauflösung von unter 1/µm und eine Temperatur von unter 10 K im EEL Spektroskopiemodus, sowie atomare Auflösung und Abbildung elektrischer und magnetischer Felder in anderen Betriebsarten. Dieser Durchbruch in verschiedenen Kennzahlen ermöglicht eine drastische Erweiterung unseres grundlegenden Verständnisses von Ladungsdichteanregungen in verschiedensten Materialien wie Hochtemperatursupraleitern, topologischen Isolatoren, Weyl- und Diracsemimetallen, plasmonischen Nanostrukturen, organischen Halbleitern, biologischen Substanzen oder korrelierten Materialien und Einblicke in ihre spezifischen und universellen Grundzustands- und dynamischen Eigenschaften (z. B. Ladungstransport, dielektrische Antwort, elektronische und phononische Bandstruktur, Ladungsordnung).

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung
• Großgeräte: CMOS Detektor ; LHe Kryostat ; Magnetic Lens
• Gerätegruppe: 5140 Hilfsgeräte und Zubehör für Elektronenmikroskope ; 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)
• Beteiligte Institution: Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden e.V.; Department Electron Spectroscopy and Microscopy; Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) e.V.; Institut für Festkörperforschung; Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) e.V.; Institut für Materialchemie