In-situ-3-D-Abbildung von Wasserstoff mithilfe einer Atomsonde

Atomsondentomographie (APT) ist eine einzigartige Methode zur Materialcharakterisierung, die eine dreidimensionale Darstellung der chemische Zusammensetzung auf atomarer Ebene ermöglicht [1]. Die Anwendungsbereiche dieser Technik erstrecken sich von hochfesten Legierungen über Halbleiter, bis zu Nanopartikeln [2]. Mit der APT lässt sich die Zusammensetzung einer Probe bestimmen, wobei Wasserstoff eine Ausnahme bildet.

Viele Forscher verwenden kommerzielle Atomsonden für ihre Projekte. Die kommerziellen Atomsonden verwenden jedoch eine geschlossene Gerätehardware und eine geschlossene Steuerungssoftware. Um diese Probleme zu umgehen, wurde hier am Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften eine Atomsonde aus Titan gebaut. Der Schwerpunkt der Konstruktion lag auf der Einstellung eines niedrigen Wasserstoffvakuums [3]. Zusammen mit neuartigen Kontrollschemata ermöglicht dies die in-situ-Wärmebehandlung und eine Messung von Wasserstoff in dieser Atomsonde. Um eine möglichst hohe Datenqualität zu erreichen, ist ein Low-Level-Zugriff auf die Detektordaten erforderlich.

Dieses Projekt zielt darauf ab, alle Atome an Grenzflächen in Materialien in 3D mit geringer Verzerrung abzubilden, um die Simulation des Korngrenzenverhaltens zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, wurde das Projekt in zwei Schritte unterteilt. Im ersten Schritt wird eine Steuerungssoftware zur Steuerung der Atomsondenexperimente implementiert. Diese Software muss das Experiment steuern, den Detektor auslesen und die Experimentdaten im Format “Findable, Accessible, Interpretable, and Reusable” (FAIR) speichern. Außerdem sollte die Software die Daten im Rohformat speichern.

In naher Zukunft wird diese Titan-Atomsonde um einen Laser und einen auf einem Digitalisierer basierenden Detektor erweitert, die beide in die Steuerungssoftware integriert werden müssen. Dies wird es uns ermöglichen, die Grenzflächen mit bisher nicht erreichter Effizienz abzubilden.

In einem zweiten Schritt müssen die Daten kalibriert und analysiert werden, um eine verzerrungsarme 3D-Rekonstruktion der Probe zu erhalten. In diesem Schritt werden spezielle Rekonstruktionsalgorithmen erforscht, um die derzeitige Methodik so zu verbessern, sodass sie ein genaueres Bild auf atomarer Ebene liefern kann.

[1] B. Gault, M.P. Moody, F. De Geuser, D. Haley, L.T. Stephenson, S.P. Ringer, Applied Physics Letters 95 (2009) 034103.

[2] Z. Ji, T. Li, O.M. Yaghi, Science 369 (2020) 674-680.

[3] P. Felfer, B. Ott, M. Monajem, V. Dalbauer, M. Heller, J. Josten, C. Macaulay, Microscopy and Microanalysis (2021) 1-9.