Kontakt

Dr. René Heller

Lei­ter Ionen­strahlanalytik
r.hellerAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 3617

Ionenstrahlanalytik

Die angewandte Ionenstrahlanalytik nutzt Ionenstrahlen zur Material-, Struktur- und Radionuklidanalyse. Sie umfasst zudem experimentelle und theoretische Arbeiten zu den physikalischen Grundlagen der Abbremsung von Ionen in amorphen und kristallinen Festkörpern, zu Ionen-Reichweiteverteilungen und zum Energieverlust - Straggling - sowie Arbeiten zur instrumentellen Entwicklung der hochauflösenden Teilchenspektrometrie.

Die wissenschaftlichen Mitarbeiter der Abteilung arbeiten dabei sehr eng sowohl mit den anderen Abteilungen des Institutes als auch mit Forschungsgruppen an Universitäten, außeruniversitären Einrichtungen und in der Industrie zusammen. Viele unserer kooperativen Forschungsthemen sind interdisziplinär.

Die Analyse ist kostenfrei, erfordert jedoch die Einreichung eines Antrags. Weitere Informationen über die Beantragung von Analysen.

Forschungsschwerpunkte

  • Ionenstrahlanalytik mit höchster lateraler Auflösung / Ionenstrahlanalytik im Helium-Ionen-Mikroskop
  • In-situ Ionenstrahlanalytik & Ionenstrahlanalytik unter atmosphärischen Bedingungen
  • Vereinigung unterschiedlicher Techniken der Ionenstrahlanalytik in universellen Experimenten

Techniken

RBS ©Copyright: Dr. Heller, René

Rutherford Rückstreu Spektrometrie
(Rutherford Backscattering Spectrometry - RBS)

  • Hohe Nachweisempfindlichkeit für schwere Elemente in/auf leichter Matrix
  • Quantitative und standardfreie Methode mit einer relativen Genauigkeit von 1%
  • Die Anwendung von “channeling“-Messgeometrien ermöglicht die Messung der Kristallstörungen in einkristallinen Proben

Typische Parameter

  • Analysierbare Elemente: O bis U
  • Nachweisgrenze:
    (in Abhängigkeit der Element/Matrix Kombinationen)
    • < 0,1 Atom-% bis mehrere Atom-% im Volumen
    • 1012 at/cm2  bis 1015 at/ cm2 als Dünnschichten
  • Analysentiefe: ~ 1 Mikrometer
  • Tiefenauflösung: 5-10 nm bei der Anwendung von Standard-Siliziumdetektoren
  • Medium Energy Ion Scattering (MEIS) als Sonderanwendung möglich, die Tiefenauflösung beträgt dann etwa 1 nm

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ERD ©Copyright: Dr. Heller, René

Elastische Rückstoß Detektion
(Elastic recoil detection - ERD)

  • Gute Nachweisempfindlichkeit für leichte Elemente in/auf jeder Matrix/Substrat obwohl bester Empfindlichkeit für eine leichte Matrix/Substrat
  • Schwere Elemente in leichter Matrix bei Detektion der gestreuten Primärteilchen
  • Quantitative und standardfreie Methode mit einer relativen Genauigkeit von 5%

Typische Parameter

  • Analysierbare Elemente: H - Ar (Rückstoßatom), K - U (gestreutes Primärteilchen)
  • Nachweisgrenze: 0,1 Atom-% bis >1 Atom-% (bei Anwesenheit von schweren Elementen)
  • Analysentiefe (max.): 0,5 - 0,75 μm
  • Tiefenauflösung: etwa 20 nm

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NRA ©Copyright: Dr. Heller, René

Kernreaktionsanalyse & quantitative Wasserstoffanalytik
(Nuclear reaction analysis - NRA)

  • Selektiver Nachweis von leichten Elementen
  • Isotopensensitive Analysenmethode
  • Besonderes geeignet für quantitative Wasserstoffanalytik
  • Tiefenverteilung von Spurenelementen ist messbar

Typische Parameter

  • Analysierbare Elemente: H bis F
  • Ortsauflösung (lateral): 1 - 100 mm2
  • Nachweisgrenze:
    • < 0.05 atom-% (H)
    • 0.1 atom-% (D to F)
  • Analysentiefe: bis zu 5 μm (materialabhängig)
  • Tiefenauflösung (für H):
    • ca. 8 nm (in Si),
    • 1 nm (bei streifendem Einfall)

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PIXE-PIGE ©Copyright: Dr. Heller, René

Teilchen-induzierte Röntgen- und Gamma-Emission
(Particle induced X-Ray and Gamma- Emission - PIXE/PIGE)

  • Hohe nachweisempfindlichkeit
  • Simultane Multielement-Analyse
  • Zerstörungsfreie/-arme Analyse
  • Messung an Luft oder im Vakuum

Typische Parameter

  • Analysierbare Elemente: Li bis Al (PIGE), Si bis U (PIXE)
  • Nachweisgrenze:
    > 0,001 Atom-%
  • Analysentiefe (max.): 0,5 -5 μm

Hier weiterlesen für PIXE und PIGE im Mikrostrahl

Hier weiterlesen für PIXE und PIGE im externen Strahl (in Luft)


2D Element-Verteilungen gemessen mit µ-PIXE an Garnet ©Copyright: Dr. Munnik, Frans

Mittels µ-PIXE gemessene Elementverteilungen von Granat aus Heftetjern, Südnorwegen (3 MeV Protonenstrahl, Strahlgröße 8 µm, map Größe 1.4x1.7 mm², Farbskala in µg/g). Dieses Mineral weist eine ungewöhnlich hohe Sc-Anreicherung auf. G. Steffenssen, et. al. Ore Geology Reviews 126 (2020) 103729

Ionenmikrostrahl Analyse
(Ion Microbeam Analysis)

  • Laterale Elementverteilungen oder Tiefenprofile im Lateralbereich von einigen Mikrometern mittels PIXE, RBS, ERD, NRA
  • Quantitative und standardfreie Methode mit einer relativen Genauigkeit von 5-10%

Typische Parameter

  • Analysierbare Elemente: fast All, technikabhängig --> s.o.
  • Laterale Auflösung:
    > 3 x 3 µm2
  • Scanfläche: max. 2x2 mm2
  • Nachweisgrenze:
    • 0.2 atom-% (H & Li & B-F & Na-Al)
    • > 0.001 atom-% (Si bis U)
  • Analysentiefe (max.): 1-5 µm (Matrix und Methode abhängig)
  • Tiefenauflösung: ~ 20 nm (RBS und NRA)

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Foto: Nebra sky disk ©Copyright: Dr. Christian Neelmeijer

Die “Himmelsscheibe von Nebra” zur Goldanalyse positioniert am externen Ionenstrahl

Externer Ionenstrahl für Archäometrie und Kunst

  • Zerstörungsfreie Analyse an Atmosphäre mit einem Ionenstrahl, der das Vakuum durch eine Folie verlässt
  • Punkte auf großen und zerbrechlichen Objekten können direkt gemessen werden, keine Probennahme
  • Gleichzeitige Analyse von vielen Elementen mit PIXE, PIGE und RBS
  • Quantitative und standardfreie Methode mit einer relativen Genauigkeit von 5-10%

Typische Parameter

  • Analysierbare Elemente: Li, B - U (technikabhängig)
  • Ionenstrahl: H+, 4 MeV
  • Austrittsfolie: 2 µm Havar Folie (Kobaltlegierung)
  • Heliumfluss zwischen Austrittsfolie und Objekt möglich
  • Laterale Auflösung: sub-mm
  • Analysierbare Fläche max.~ meter
  • Nachweisgrenze:
    • 0.2 atom-% ( Li - Mg, ausgeommen Be and Ne)
    • > 0.001 atom-% (for Al to U)

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Gruppeninformationen

Mitarbei­ter Ionen­strahlanalytik

Das Team der Arbeits­gruppe Ionen­strahlanalytik

Publika­tionen - Ionen­strahlanalytik

Aktuelle Veröffentli­chungen, die aus Nutzerexperimenten und Kollabora­tionen mit unserer Gruppe entstanden sind.