4D-STEM Direkt-Elektronendetektor mit ultra-hoher Bildrate

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560252986

Das Aufkommen der vierdimensionalen Rastertransmissionselektronenmikroskopie (4D-STEM) hat neue Ansätze und Möglichkeiten zur Untersuchung von Materialien von der mesoskopischen Ebene bis hinunter zur atomaren Skala eröffnet. Neue Direkt-Elektronendetektoren ermöglichen die Aufnahme von Tausenden von Beugungsbildern pro Sekunde, während ein konvergenter Elektronenstrahl über die Probe gerastert wird. Dadurch können virtuelle Abbildungsmodalitäten realisiert, lokale elektrische oder magnetische Felder und leichte Elemente mit atomarer Auflösung abgebildet werden. Der 4D-STEM Direkt-Elektronendetektor mit ultrahoher Bildrate wird in vier Forschungsbereichen eingesetzt: I) Schnelle Phasen-, Kristallorientierungs- und Magnetdomänenabbildung in Nanomaterialien, II) 3D-Phasen-, Kristallorientierungs- und Magnetdomänenabbildung durch 4D-STEM Tomographie, III) In situ 4D-STEM und IV) Abbildung leichter Elemente mit atomarer Auflösung durch differentiellen Phasenkontrast und Elektronenptychographie. 4D-STEM-Experimente mit einem nahezu parallelen Elektronenstrahl liefern reichhaltige Informationen über die lokale Kristallorientierung, die Dehnung innerhalb eines Materials oder die Entwicklung magnetischer Domänen. Der 4D-STEM Detektor ermöglicht die Bestimmung der Struktur von nanostrukturierten Metallen, nanokristallinen Katalysatormaterialien und Nanohydriden mit hoher Empfindlichkeit und Aufnahmegeschwindigkeiten. Dies ermöglicht die Erfassung von Daten in größeren Bereichen und ermöglicht es die in das Material eingebrachten Elektronendosis zu reduzieren. Es werden neuartige, auf maschinellem Lernen basierende Datenanalyseverfahren entwickelt, um Phasenbereiche in den 4D-Datensätzen automatisch zu segmentieren, zu klassifizieren und zu kennzeichnen. Die hohe Auslesegeschwindigkeit des Detektors ermöglicht darüber hinaus die Durchführung von tomographischen 4D-STEM-Experimenten zur Bestimmung der 3D-Orientierung von Nanokristallen sowie der 3D-Entwicklung von Grenzflächen in nanostrukturierten Materialien. Dieser Ansatz wird durch die Implementierung von Lorentz-4D-STEM-Tomographie-Experimenten auf die Abbildung der 3D-Struktur von magnetischen Domänen erweitert. Die ultrahohen Bildraten werden außerdem zur Durchführung dynamischer in situ 4D-STEM Experimente genutzt, um die Phasen- und Domänenentwicklung in Materialien zu untersuchen, wenn diese unterschiedlichen Temperaturen und Magnetfeldern ausgesetzt werden. Die differentielle Phasenkontrastbildgebung und die Elektronenptychographie werden Einblicke in die atomare Struktur komplexer Oxidmaterialien, einschließlich möglicher Kippungen der Sauerstoffoktaeder, ermöglichen und die Verteilung leichter Elemente an Korngrenzen aufklären. 4D-STEM mit niedriger Elektronendosis wird verwendet, um die Ausprägung von organischen Schichten, die katalytische Nanopartikel umgeben, zu bestimmen und soll die Struktur strahlungsempfindlicher metallorganischer Gerüstverbindingen aufklären.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: 4D-STEM Direkt-Elektronendetektor mit ultra-hoher Bildrate
• Gerätegruppe: 5140 Hilfsgeräte und Zubehör für Elektronenmikroskope
• Antragstellende Institution: Ruhr-Universität Bochum
• Leiter: Professor Dr. Christian Liebscher