Kontakt

Dr. Andreas Wagner

Lei­ter Abtei­lung Kernphysik, Lei­ter Abtei­lung Strah­lungs­quelle ELBE
a.wagnerAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 3261

Dr. Maciej Oskar Liedke

Postdoktorand, Beamline scientist
Kernphysik
m.liedkeAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 2117

Dr. Maik Butterling

Beamline Scientist
Kernphysik
m.butterlingAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 4717

Dr. Ahmed Gamal Attallah Elsherif

Ein Postdoktorand (DFG-Projekt ) über Metal-Organic Frameworks.
Kernphysik
a.elsherifAthzdr.de

Dr. Eric Hirschmann

Postdoktorand
Kernphysik
e.hirschmann@hzdr.de
Tel.: +49 351 260 2671

Dr. Kay Potzger

Projekt­gruppenleiter, Betriebsrat
Magnetismus
k.potzgerAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 3244

Vergehensweise zur Vorbereitung einer Strahlzeit an pELBE

The aims of this workshop are to bring together positron scientists who interested in studying defects in materials for various applications and to provide an international platform to present and discuss recent results and achievements as well as on new experimental and theoretical methods in this field.

Animierte Weltkarte der Kollaborationspartner der Positronen-Annihilationsgruppe am HZDR

Nano-Strukturanalyse und Materialcharakterisierung durch die HZDR Innovation GmbH

Positronen-Annihilations-Spektroskopie am HZDR

Die Positronen-Annihilations-Spektroskopie (PAS) erlaubt interessante Untersuchungen im Gebiet der Materialphysik. Dabei werden die Anti-Teilchen der Elektronen als Sonde genutzt, um Materialdefekte im atomaren Bereich und mit höchster Sensitivität aufzulösen. Bis heute hat sich die zerstörungsfreie Materialuntersuchung mit Positronen zu einer etablierten Methode entwickelt, die für viele Untersuchungen von Metallen, Halbleitern, Polymeren und porösen Materialien angewendet wird.
Trifft ein Positron auf ein Elektron, zerstrahlen (annihilieren) beide Teilchen und es werden in der Regel zwei Photonen mit einer Energie von jeweils 511 keV in entgegengesetzter Richtung emittiert. Verschiedene Messtechniken beruhen auf der Detektion dieser Annihilations-Quanten. In Anwesenheit von Störungen im Kristallgitter, wie atomaren Defekten, ändert sich die Energie- sowie Dichteverteilung der Elektronen, was Rückschlüsse auf Art und Anzahl von Defekten in Festkörpern ermöglicht. Da die positiv geladenen Positronen von Atomkernen abgestoßen werden, werden sie bevorzugt von (negativen oder neutralen) Leerstellen, Korngrenzen und kleinen Hohlräumen eingefangen (trapping), in denen sie dann mit einem Elektron zerstrahlen. Somit eignen sich Positronen zum Aufspüren und Identifizieren von Defekten im atomaren Bereich. Die wichtigsten Techniken der Positronen-Annihilations-Spektroskopie sind dabei die Messung der Positronen-Lebensdauer sowie der Dopplerverbreiterung der Annihilationslinie.

  • Bei der Positronen-Annihilations-Lebensdauer-Spektroskopie (PALS) wird die Zeitdifferenz zwischen der Entstehung des Positrons (und Einbringen in das zu untersuchende Material) und der Emission der beiden 511 keV- Quanten gemessen. Positronen werden bevorzugt in Defekten eingefangen in deren Umgebung gleichzeitig die lokale Elektronendichte geringer ist. Somit wird die Annihilation von Positron und Elektron unwahrscheinlicher und die Lebensdauer des Positrons verlängert sich entsprechend der Größe und des Typs des Defekts. Die Positronen-Annihilations-Lebensdauer-Spektroskopie ist also ein gutes Maß für Größe und Anzahl von leerstellenartigen Defekten (Nanokavitäten). Die Lebensdauer ist für jedes Material charakteristisch und variiert stark für verschiedene Defekttypen. So beträgt sie zum Beispiel für defektfreies Eisen 108 ps, für den Fall einer atomaren Einfachleerstelle im Eisen dagegen 175 ps.
  • Die Dopplerverbreiterung-Spektroskopie (DBS) basiert auf dem Prinzip des Impuls-Erhaltungssatzes während der Annihilation. Demnach werden Energie und Impuls des Elektron-Positron-Paares direkt auf die Annihilationsquanten übertragen und führen bei der zwei-Photonenannihilation zu einer Abweichung von 511 keV, also einer Dopplerverbreiterung der Annihilationslinie. Da das Positron während der Annihilation nahezu in Ruhe ist, lässt sich aus der Dopplerverbreiterung auf die Energieverteilung des annihilierten Elektrons schließen. Dies erlaubt eine Untersuchung der Elektronenverteilung und Elektronenstruktur im Impulsraum und ermöglicht Rückschlüsse über die chemischen Bedingungen rund um den Ort der Annihilation. So können Dekorationen von Defekten mit Fremdatomen oder Ansammlungen wie Ausscheidung in Materialien bestimmt werden.

Abhängig von ihrer Energie werden Positronen unterschiedlich tief in ein Material implantiert. Nach der Thermalisierung (Verringerung der Positronenenergie auf thermische Energie) diffundieren Positronen noch einige 10 - 100 Nanometer, bis sie entweder von Defekten eingefangen werden oder im ungestörten Material zerstrahlen. Das somit entstehende Tiefenprofil, eine von der Eingangsenergie abhängige Makhov-Verteilung, lässt sich genau berechnen. Dadurch eignet sich die Positronen-Annihilations-Spektroskopie hervorragend zur tiefenabhängigen Defektcharakterisierung von dünnen Schichten. Die verschiedenen zerstörungsfreien Methoden erlauben somit Untersuchungen kleinster Defekte in Kristallen, Metallen, Halbleitern und Polymeren. Auch Hohlräume im Nanometer-Bereich sowie chemische Strukturen in Flüssigkeiten können untersucht und vermessen werden. Verglichen mit anderen Standardmethoden der Materialuntersuchung weist die Positronen-Annihilations-Spektroskopie somit die höchste Sensitivität für atomare Defekte in schon geringen Konzentrationen aus. Am HZDR werden in Kooperation mit dem Materialwissenschaftlichen Zentrums der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg verschiedene Experimente zur Anwendung der Positronen-Annihilations-Spektroskopie betrieben. Dabei werden sowohl Fragestellungen aus dem Bereich der Grundlagenforschung (Entstehung und Verhalten atomarer Defekten) als auch der angewandten Forschung (Vorhersagen von Materialermüdung) untersucht. Es werden mehrere Messplätze zur Positronenannihilation betrieben, die jeweils auf die unterschiedlichen Materialklassen und Empfindlichkeiten optimiert sind.

Positrons - theory 8
Senstitivität der Positronen-Annihilations-Spektroskopie im Vergleich zu anderen Standardmethoden der Materialuntersuchung (links) und Wechselwirkung von Positronen in Materie (rechts).
Illustration: Maik Butterling (Download)

Neues ELBE-Logo

Positronen an ELBE

Die ELBE Positron Source (kurz EPOS) ist eine einzigartige Kombination verschiedener Positronenquellen für Materialuntersuchungen am supraleitdenden Elektronen-Linearbeschleuniger ELBE. EPOS setzt sich aus vier Teilsystemen zusammen, von denen drei die einzigartigen Eigenschaften von ELBE nutzen:

  • Mono-energetische Positronen-Spektroskopie - MePS
    Mittels Paarbildung wird aus dem primären Elektronenstrahl der ELBE-Anlage in einem Wolfram-Target ein mono-energetischer Positronenstrahl erzeugt. Dabei wird die Zeitstruktur des gepulsten ELBE-Strahls direkt auf den Positronenstrahl übertragen. Es ergibt sich somit eine gepulste Positronenquelle mit hoher Wiederholrate und Intensität und einstellbarer Energie. Damit können Positronen-Lebensdauer und Doppler-Verbreiterungsuntersuchungen an Oberflächen und Tiefenprofil-Messungen von dünnen Schichten durchgeführt werden.
    Parameter des Positronenstrahls  
    kinetische Energie 0.5 - 15 keV
    Pulslänge 250 ps FWHM
    Wiederholrate 1.625 - 13 MHz
    Positronenfluss 106 / s

    Schematics MePS positron beam

    Schematischer Aufbau der Positronenstrahlapparatur MePS.
  • Gamma-induzierte Positronen-Spektroskopie - GiPS
    Am Messplatz der Kernphysik wird aus dem primären Elektronenstrahl der ELBE-Anlage ein gepulster Strahl hochenergetischer Photonen (Bremsstrahlung) erzeugt. Diese Photonen erzeugen dann in der Probe mittels Paarbildung Positronen, die dann direkt in Positronen-Lebensdauer und Doppler-Verbreiterungsuntersuchungen  verwendet werden. Mit diesem weltweit einzigartigen System können sowohl Volumen-Proben (> 1 cm3) von Festkörpern, als auch Flüssigkeiten, Gase oder aktivierte Proben (wegen eines sehr guten Signal-zu-Untergrund Verhältnisses) untersucht werden. Weiterhin wird an diesem Aufbau auch eine bildgebende Positronenlebensdaueruntersuchung eingesetzt, die eine dreidimensionale Verteilung von Positronenlebensdauern in Volumenproben ermöglicht.
    Parameter   
    Photonenenergie max. 16 MeV
    Pulslänge ~ 10 ps
    Wiederholrate 26 MHz / 2n n=0 ... 6

    Schematics GiPS facility

    Schematischer Aufbau der Positronenlebensdauerapparatur GiPS.
  • Konventionelle Positronen-Lebensdauerspektroskopie - LT
    Zur Vor-Charakterisierung von Proben und zu begleitenden Messungen wird ein konventioneller Lebensdauer-Messplatz eingesetzt, der ebenfalls Positronen aus dem Zerfall von Na-22 einsetzt.
  • In-situ Charakterisierung von Defekten: AIDA
    Zur in-situ Charakterisierung des Entstehens von Defekten in neuartigen Materialien wurde eine Anlage ("Apparatus for in-situ Defect Analysis") errichtet, die es erlaubt, durch Ionenimplantation oder Bedampfung hergestellte dünne funktionale Schichten an Ort und Stelle mittels Positronen-Annhiliationsspektroskopie zu untersuchen. Eine Besonderheit ist, dass diese Untersuchungen/Simulationen im oberflächennahen Bereich bereits auf der atomaren Skala, d.h. in einem frühen Stadium der Defektentstehung erfolgen, sowie in-situ („live“-Messungen) und somit ein grundlegendes Verständnis der Defektentstehung erlauben.

Alle Systeme haben unterschiedliche Schwerpunkte und decken im Rahmen des EPOS-Systems wesentliche Standardtechniken der Positronen-Annihilations-Spektroskopie ab. Aufgrund der einzigartigen Zeitstruktur des ELBE-Beschleunigers eignen sich die Systeme MePS und GiPS darüber hinaus auch für die korrelierte Messung der Positronen-Lebensdauer sowie der Dopplerverbreiterung, welche zusätzliche Informationen über die untersuchten Materialien liefert. Die hohe Intensität des ELBE-Beschleunigers gewährt dabei sehr kurze Messzyklen und erlaubt somit die direkte Untersuchung temperaturabhängiger Prozesse und unter Umständen auch von dynamischen Vorgängen. Das EPOS-System ist für die Forschung zu materialwissenschaftlichen Problemen ausgelegt und explizit für den Betrieb von externen Nutzergruppen vorgesehen. Zweimal jährlich werden Nutzer aufgerufen, Anträge für Strahlzeit an ELBE einzureichen. Weitere Informationen zur Beantragung finden sich hier.

Aktuelle Publikationen

Regulating oxygen ion transport at the nanoscale to enable highly cyclable magneto-ionic control of magnetism

Z. Tan; Z. Ma; L. Fuentes-Rodriguez; M. O. Liedke; M. Butterling; A. G. A. Elsherif; E. Hirschmann; A. Wagner; L. Abad; N. Casañ-Pastor; A. Lopeandia; E. Menéndez; J. Sort

Verknüpfte Publikationen


Unravelling the Origin of Ultra-Low Conductivity in SrTiO3 Thin Films: Sr Vacancies and Ti on A-Sites Cause Fermi Level Pinning

M. Morgenbesser; A. Viernstein; A. Schmid; C. Herzig; M. Kubicek; S. Taibl; G. Bimashofer; J. Stahn; C. Antonio Fernandes Vaz; M. Döbeli; F. Biautti; J. de Dios Sirvent; M. O. Liedke; M. Butterling; M. Kamiński; M. Tolkiehn; V. Vonk; A. Stierle; A. Wagner; A. Tarancon; A. Limbeck; J. Fleig

Verknüpfte Publikationen


Temperature Driven Transformation of the Flexible Metal-Organic Framework DUT-8(Ni)

S. Ehrling; I. Senkovska; A. Efimova; V. Bon; L. Abylgazina; P. Petkov; J. D. Evans; A. G. Attallah; M. Thomas Wharmby; M. Roslova; Z. Huang; H. Tanaka; A. Wagner; P. Schmidt; S. Kaskel

Verknüpfte Publikationen


Defect nanostructure and its impact on magnetism of α-Cr2O3 thin films

I. Veremchuk; M. O. Liedke; P. Makushko; T. Kosub; N. Hedrich; O. Pylypovskyi; F. Ganss; M. Butterling; R. Hübner; A. G. Attallah; A. Wagner; K. Wagner; B. Shields; P. Maletinsky; J. Faßbender; D. Makarov

Verknüpfte Publikationen

  • Open Access Logo Small 18(2022)17, 2201228
    Online First (2022) DOI: 10.1002/smll.202201228
    Cited 12 times in Scopus
  • Vortrag (Konferenzbeitrag)
    IEEE International Conference "Nanomaterials: Applications & Properties", 11.-16.09.2022, Krakow, Poland

Magneto-ionics in single-layer transition metal nitrides

J. de Rojas; J. Salguero; F. Ibrahim; M. Chshiev; A. Quintana; A. Lopeandia; M. O. Liedke; M. Butterling; E. Hirschmann; A. Wagner; L. Abad; J. L. Costa-Krämer; E. Menéndez; J. Sort

Verknüpfte Publikationen


Mapping the Structure of Oxygen-Doped Wurtzite Aluminum Nitride Coatings From Ab Initio Random Structure Search and Experiments

P. Gasparotto; M. Fischer; D. Scopece; M. O. Liedke; M. Butterling; A. Wagner; O. Yildirim; M. Trant; D. Passerone; H. J. Hug; C. A. Pignedoli

Verknüpfte Publikationen


Voltage‐driven motion of nitrogen ions: a new paradigm for magneto‐ionics

J. de Rojas; A. Quintana; A. Lopeandia; J. Salguero; B. Muñiz; F. Ibrahim; M. Chshiev; A. Nicolenco; M. O. Liedke; M. Butterling; A. Wagner; V. Sireus; L. Abad; C. Jensen; K. Liu; J. Nogues; J. Costa-Krämer; J. Sort; E. Menéndez

Verknüpfte Publikationen


Boosting Room-Temperature Magneto-Ionics in a Non-Magnetic Oxide Semiconductor

J. de Rojas; A. Quintana; A. Lopeandía; J. Salguero; J. L. Costa-Krämer; L. Abad; M. O. Liedke; M. Butterling; A. Wagner; L. Henderick; J. Dendooven; C. Detavernier; J. Sort; E. Menéndez

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A New Mechanism for Void-Cascade Interaction from Non-destructive Depth-resolved Atomic-scale Measurements of Ion Irradiation-induced Defects in Fe

S. Agarwal; M. O. Liedke; A. C. L. Jones; E. Reed; A. A. Kohnert; B. P. Uberuaga; Y. Q. Wang; J. Cooper; D. Kaoumi; N. Li; R. Auguste; P. Hosemann; L. Capolungo; D. J. Edwards; M. Butterling; E. Hirschmann; A. Wagner; F. A. Selim

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Vacancy-Hydrogen Interaction in Niobium during Low-Temperature Baking

M. Wenskat; J. Čižek; M. O. Liedke; M. Butterling; C. Bate; P. Haušild; E. Hirschmann; A. Wagner; H. Weise

Verknüpfte Publikationen


The role of open-volume defects in the annihilation of antisites in a B2-ordered alloy

J. Ehrler; M. O. Liedke; J. Cizek; R. Boucher; M. Butterling; S. Zhou; R. Böttger; E. Hirschmann; T. T. Trinh; A. Wagner; J. Lindner; J. Fassbender; C. Leyens; K. Potzger; R. Bali

Verknüpfte Publikationen


Voltage-controlled ON-OFF ferromagnetism at room temperature in a single metal oxide film

A. Quintana; E. Menéndez; M. O. Liedke; M. Butterling; A. Wagner; V. Sireus; P. Torruella; S. Estradé; F. Peiró; J. Dendooven; C. Detavernier; P. Murray; D. A. Gilbert; K. Liu; E. Pellicer; J. Nogués; J. Sort

Verknüpfte Publikationen


Metal oxide double layer capacitors by electrophoretic deposition of metal oxides. Fabrication, electrical characterization and defect analysis using positron annihilation spectroscopy

R. C. Hoffmann; N. Koslowski; S. Sanctis; M. O. Liedke; A. Wagner; M. Butterling; J. J. Schneider

Verknüpfte Publikationen


Purely Antiferromagnetic Magnetoelectric Random Access Memory

T. Kosub; M. Kopte; R. Hühne; P. Appel; B. Shields; P. Maletinsky; R. Hübner; M. O. Liedke; J. Fassbender; O. G. Schmidt; D. Makarov

Verknüpfte Publikationen


Apparative Publikationen

A new system for real-time data acquisition and pulse parameterization for digital positron annihilation lifetime spectrometers with high repetition rates

E. Hirschmann; M. Butterling; U. Hernandez Acosta; M. O. Liedke; A. G. A. Elsherif; P. Petring; M. Görler; R. Krause-Rehberg; A. Wagner

Verknüpfte Publikationen


Improving depth resolutions in positron beam spectroscopy by concurrent ion-beam sputtering

M. John; A. Dalla; A. M. Ibrahim; W. Anwand; A. Wagner; R. Böttger; R. Krause-Rehberg

Verknüpfte Publikationen


Positron Annihilation Studies using a Superconducting Electron LINAC

A. Wagner; M. Butterling; E. Hirschmann; R. Krause-Rehberg; M. O. Liedke; K. Potzger

Verknüpfte Publikationen

  • Eingeladener Vortrag (Konferenzbeitrag)
    International Workshop on Physics with Positrons at Jefferson Lab, 12.-15.09.2017, Newport News, VA, USA
  • Eingeladener Vortrag (Konferenzbeitrag)
    International Workshop on Positron Studies of Defects 2017 (PSD-17), 03.-08.09.2017, Dresden, Deutschland
  • Open Access Logo AIP Conference Proceedings 1970(2018), 040003
    DOI: 10.1063/1.5040215
    Cited 74 times in Scopus
  • Vortrag (Konferenzbeitrag)
    Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 12.-16.03.2018, Berlin, Deutschland

Tomographic Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy

A. Wagner; W. Anwand; M. Butterling; F. Fiedler; F. Fritz; M. Kempe; T. E. Cowan

Verknüpfte Publikationen

  • Eingeladener Vortrag (Konferenzbeitrag)
    13th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques and Applications, 15.-20.09.2013, München, Deutschland
  • Open Access Logo Journal of Physics: Conference Series 505(2014), 012034
    DOI: 10.1088/1742-6596/505/1/012034
    Cited 4 times in Scopus

Gamma-Induced Positron Spectroscopy (GiPS) at a superconducting electron linear accelerator

M. Butterling; W. Anwand; T. E. Cowan; A. Hartmann; M. Jungmann; R. Krause-Rehberg; A. Krille; A. Wagner

Verknüpfte Publikationen


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