Wer verstehen will, wie sich Ladungen in High-Tech-Materialien und insbesondere an deren Grenzflächen bewegen, kommt künftig an einer neuen Messanlage an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Berlin nicht vorbei. Die Anlage wurde in einem Forschungsprojekt der TU Bergakademie Freiberg konzipiert und am BESSY II nach rund vier Jahren Entwicklungsarbeit nun vollständig aufgebaut. Geleitet wurde das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen von ErUM-Pro geförderte Projekt von Physiker Dr. Friedrich Roth. Der neue Aufbau erweitert damit die Mess- und Analyse-Möglichkeiten für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Internationale Teams können die Anlage nutzen, um nachzuvollziehen, wie sich elektronische Ladungen nach der Anregung eines Materials bewegen – und das mit einer deutlich gesteigerten Messeffizienz. Die ersten Nutzerexperimente sind für Februar 2027 geplant.
„Damit steht an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Berlin eine neue experimentelle Infrastruktur für zeitaufgelöste Röntgenphotoelektronenspektroskopie (tr-XPS) zur Verfügung. Ultraschnelle Prozesse an Materialoberflächen und Grenzflächen können nun mit hoher zeitlicher Auflösung untersucht werden“, erklärt PD Dr. habil. Friedrich Roth, Projektleiter an der TU Bergakademie Freiberg. „Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie sich elektronische Ladungen nach der Anregung eines Materials bewegen und welche Prozesse an funktionalen Grenzflächen auf Zeitskalen von Pikosekunden ablaufen. Solche Vorgänge spielen beispielsweise in Halbleitern, Photokatalysatoren und neuartigen Energiematerialien eine entscheidende Rolle“. Der Physiker Friedrich Roth hatte den Aufbau der neuen Anlage in enger Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI), Deutschen Elektronen Synchrotron DESY und dem European XFEL koordiniert.
Zeitaufgelöste Experimente mit hoher Effizienz
Eine Besonderheit des neuen Systems ist die Kombination eines hocheffizienten Flugzeit-Elektronenanalysators mit einer leistungsfähigen optischen Laserquelle und der Synchrotronstrahlung von BESSY II. Dadurch kann die Effizienz zeitaufgelöster tr-XPS-Messungen deutlich gesteigert werden. Für die Nutzenden bedeutet die höhere Messeffizienz vor allem, dass innerhalb der begrenzten Messzeit an einer Synchrotronstrahlungsquelle deutlich mehr Informationen gewonnen werden können. So lassen sich beispielsweise unterschiedliche Materialien oder experimentelle Bedingungen systematisch miteinander vergleichen und zeitliche Veränderungen detailliert verfolgen. Die neue Infrastruktur erweitert damit die bisherigen Möglichkeiten an BESSY II um Experimente, bei denen sowohl eine hohe Zeitauflösung als auch eine effiziente Datenerfassung entscheidend sind.
Nach umfangreichen Aufbau- und Inbetriebnahmearbeiten ist das System nun bereit für erste Nutzerexperimente. „Bereits jetzt besteht internationales Interesse: Forschungsgruppen aus Schweden, Großbritannien, Frankreich und den USA wollen künftig Experimenten mit dem neuen Aufbau durchführen“, so Roth.
Für mich ist besonders wichtig, dass wir hier nicht einfach ein weiteres Messinstrument aufgebaut haben, sondern gemeinsam mit unseren Partnern eine neuartige experimentelle Möglichkeit für die nationale und internationale Nutzergemeinschaft geschaffen haben. Forschungsgruppen können ihre eigenen Materialsysteme zu BESSY II bringen und dort untersuchen, wie sich elektronische Prozesse nach einer optischen Anregung auf extrem kurzen Zeitskalen entwickeln. Die Kombination aus hoher Zeitauflösung und hoher Messeffizienz eröffnet uns die Chance, ultraschnelle Ladungstransferprozesse an komplexen Materialgrenzflächen künftig wesentlich systematischer zu untersuchen. Dass uns bereits vor dem regulären Nutzerbetrieb Anfragen aus mehreren Ländern erreichen, zeigt, wie groß der Bedarf an solchen experimentellen Möglichkeiten ist.
Forschung über Institutionsgrenzen hinweg
Der Aufbau ist zugleich ein Beispiel für die enge Vernetzung der Freiberger Forschung mit den großen deutschen Forschungsinfrastrukturen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Bergakademie Freiberg arbeiteten im Projekt eng mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Fritz-Haber-Institut in Berlin, DESY und dem European XFEL zusammen. Die Partner brachten dabei ihre jeweilige Expertise in Synchrotron- und Freie-Elektronen-Laser-Forschung, Photoelektronenspektroskopie, Detektortechnologie sowie zeitaufgelösten Messmethoden ein.
Die entstandene Infrastruktur verbindet damit Erfahrungen aus Experimenten an unterschiedlichen Großforschungseinrichtungen und überträgt diese auf einen dauerhaft verfügbaren Nutzeraufbau an BESSY II.
„Moderne experimentelle Forschung funktioniert zunehmend in Netzwerken. Keine einzelne Universität und keine einzelne Großforschungseinrichtung könnte die dafür notwendige Expertise allein abdecken. Für uns in Freiberg ist diese enge Zusammenarbeit mit HZB, FHI, DESY und European XFEL deshalb von zentraler Bedeutung. Gleichzeitig können wir unsere eigene Expertise in der Photoelektronenspektroskopie und bei zeitaufgelösten Experimenten in diese Netzwerke einbringen“, erklärt Roth.
Von der Entwicklung zum internationalen Nutzerbetrieb
Mit Abschluss der Inbetriebnahme beginnt nun die nächste Phase des Projekts. Das System soll für wissenschaftliche Nutzergruppen geöffnet und für unterschiedliche Fragestellungen aus der Material-, Oberflächen- und Energieforschung eingesetzt werden. Damit stärkt das Projekt nicht nur die experimentellen Möglichkeiten an BESSY II, sondern auch die internationale Sichtbarkeit der TU Bergakademie Freiberg auf dem Gebiet der zeitaufgelösten Photoelektronenspektroskopie und der Forschung an Großforschungsanlagen.
Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen von ErUM-Pro gefördert (Förderkennzeichen 05K22OF2).
