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Elastische Streuung

Bei einem elastischen Streuprozess werden Neutronen an einem Atomkern oder magnetischen Moment in der Probe ohne Änderung ihrer Energie gestreut. Auf Basis der zugrundeliegenden Wechselwirkung der Neutronen mit den Kernen und magnetischen Momenten in der Probe, wird die elastische Neutronenstreuung verwendet, um die atomare und magnetische Struktur von Materialien zu erforschen. Während hierbei Weitwinkel-Diffraktometer (Einkristalldiffraktometer, Pulverdiffraktometer, Materialwissenschafts-Diffraktometer) Anordnungen im atomaren Bereich analysieren, untersuchen Kleinwinkelstreuinstrumente und Reflektometer nano- bis mesoskopische Strukturen.

Diffraktion

Die Neutronenbeugung hat gegenüber der Röntgenbeugung zahlreiche Vorteile, insbesondere bei der Lokalisierung von leichten Elementen und bei der Unterscheidung benachbarter Elemente im Periodensystem. Die Größe der magnetischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung bei der Neutronenbeugung ist vergleichbar mit der starken Wechselwirkung (Streuung am Atomkern), wodurch sich diese Technik hervorragend zur Bestimmung magnetischer Ordnungen verschiedenster Art eignet.

Bragg'sche Beugung Bragg'sche Beugung Prinzip der Bragg'schen Beugung.
Prinzip der Bragg'schen Beugung.

Mit einem Diffraktometer wird die Intensität der gestreuten Neutronen als Funktion des Streuwinkels gemessen. Die Bedingung für konstruktive Interferenz kann durch die sogenannte Bragg’sche Gleichung beschrieben werden:

Bragg’sche Gleichung: n λ = 2 d sinθ

mit ganzzahligem n, Wellenlänge des Neutrons λ, Netzebenenabstand d und Streuwinkel 2θ.

Mit einer typischen Wellenlänge von λ = 0,05 bis 2 Nanometer (1 nm = 10-9 m) liegen die in der Diffraktion für unterschiedliche Fragestellungen verwendeten Neutronen jeweils in der gleichen Größenordnung wie die zu untersuchenden Strukturen. So liegen thermische Neutronen mit ihren Wellenlängen im Bereich der Atomabstände (≈ 0,15 nm). Sie sind daher ein wertvolles Werkzeug, um die Anordnung der Atome in „harter“ kondensierter Materie zu bestimmen. Neben Atompositionen (kristallographische Struktur) kann auch eine mögliche Anordnung magnetischer Momente (magnetische Struktur) zusammen mit verschiedenen Arten von statischen und thermischen Unordnungsphänomenen aufgeklärt werden.

Die Kenntnis der Struktur ist entscheidend für das Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Struktur eines Materials und seinen Eigenschaften. Beugungsexperimente können an Proben mit periodischen atomaren Anordnungen durchgeführt werden. Dabei können die Proben als Einkristalle, als größeres polykristallines Material oder als Pulver vorliegen.

Einkristalle weisen den höchsten Ordnungsgrad im Bereich der kondensierten Materie auf. Ihre Untersuchung liefert zumeist die genauesten Strukturinformationen. Die 3-dimensionale periodische Anordnung von Atomen oder Molekülen in Kristallen ermöglicht die Messung distinkter Beugungssignale, den sogenannten Bragg-Reflexen, bis zu großen Beugungswinkeln. Die in der Lage und Intensität der Bragg-Reflexe enthaltenen Information erlaubt sehr genaue Aussagen über vorhandene Symmetrien, Gitterkonstanten, Atompositionen und Besetzungswahrscheinlichkeiten, Auslenkungsparameter, Orientierung der magnetischen Momente, etc. und macht es zu einem perfekten Werkzeug für die Bestimmung von sehr komplexen atomaren Anordnungen. Die Messung einer möglichst großen Zahl von Bragg-Reflexen macht diese Technik vergleichsweise zeitaufwendig. Dies, zusammen mit der Notwendigkeit für das Vorliegen von einkristallinen Proben, stellen die wesentlichen Einschränkungen für Einkristall-Neutronenbeugungsuntersuchungen dar.
Typische Forschungsgebiete umfassen neue Materialien und Mineralien, Ferroelektrika und Multiferroika, stark korrelierte Elektronensysteme, makromolekulare Kristalle, Protein-Strukturen usw.

Pulverdiffraktogramms Co10Ge3O6 Pulverdiffraktogramms Co10Ge3O6 Teil eines realen Neutronen-Pulverdiffraktogramms mit dem Fragment der Kristallstruktur von Co10Ge3O6 mit Kobalt (grau), Germanium (blau) und Sauerstoff (rot); (Bild: SPODI, FRM II)
Teil eines realen Neutronen-Pulverdiffraktogramms mit dem Fragment der Kristallstruktur von Co10Ge3O6 mit Kobalt (grau), Germanium (blau) und Sauerstoff (rot); (Bild: SPODI, FRM II)

Im Gegensatz zur Einkristalldiffraktometrie hat Pulverdiffraktometrie den großen praktischen Vorteil, dass viele chemische Verbindungen viel leichter in Form eines Pulvers oder einer polykristallinen Probe statt in Form eines Einkristalls verfügbar sind. Die Pulverkörner, welche annähernd zufällig orientiert sind, führen zu überlappendenden Beugungssignalen von verschiedenen Netzebenen mit gleichen interatomaren Abständen. Dies führt zwar zu einer reduzierten Anzahl von unabhängigen Beobachtungsgrößen, macht aber die Datenerfassung wesentlich schneller und einfacher. Typischerweise werden mit Pulverdiffraktometrie strukturelle oder magnetische Veränderungen in polykristallinen Materialien unter dem Einfluss externer Parameter, wie Temperatur, Druck, Magnetfeld, mechanische Kraft, elektrisches Feld etc. direkt verfolgt. Weiterhin ermöglicht Pulverdiffraktometrie die quantitative und qualitative Analyse der Probenzusammensetzung (Phasenanalyse) und macht diese Methode somit besonders leistungsstark bei der Charakterisierung neuer Materialien.
Forschungsgebiete umfassen typischerweise Materialien für Lithium-Ionen-Batterien, Ionenleiter, Ferroelektrika und Multiferroika, Wasserstoffspeicher, Konstruktionswerkstoffe, Supraleiter und stark korrelierte Elektronensysteme, Mineralien sowie geologische Proben.

Im Bereich der Ingenieur- und Materialwissenschaften ist die Nachfrage nach Diffraktometern, die spezielle Fragestellungen zu verschiedenen Arten von Verformung, Phasenumwandlung, Eigenspannungen, Textur und Mikrostruktur untersuchen können, sehr hoch. Durch ihr Design sind Materialwissenschafts-Diffraktometer sehr flexibel einsetzbar. Typische Instrumente dieser Klasse bedienen ein breites Spektrum von Anwendungen in den Ingenieur- und Materialwissenschaften, wie z.B. die Bestimmung von Eigenspannungen in technischen Komponenten, um die grundlegenden Aspekte des Verhaltens von Materialien während der Synthese, Verarbeitung und im Betriebszustand zu verstehen. Ortsaufgelöste Beugung (unter Ausnutzung der hohen Eindringtiefe von Neutronen in Materie) ermöglicht die Beobachtung von strukturellen Veränderungen tief im Inneren von sperrigen Proben, weit über die mit Röntgenbeugung zugängliche Tiefe hinaus. Verschiedene Arten von Lastrahmen, Öfen und andere Probenumgebungen werden für die in-situ-Charakterisierungen von Materialien verwendet. Materialwissenschafts-Diffraktometer werden heutzutage vor allem für Eigenspannungsanalysen und Textur-Untersuchungen in technisch relevanten Legierungen und Verbundwerkstoffen eingesetzt.

Andere Methoden auf dem Gebiet der elastischen Neutronenstreuung

Für die Untersuchung von Nanostrukturen im mesoskopischen Bereich von 1 – 400 nm werden Kleinwinkelstreuung (SANS) zusammen mit Ultra-Kleinwinkelstreuung (USANS) und Spin-Echo-Kleinwinkelstreuung (SESANS) bis 10 µm eingesetzt. Ähnliche Längenskalen werden auch mittels Reflektometrie abgedeckt.

Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) ermöglicht die Untersuchung von größeren Strukturen oder strukturellen Inhomogenitäten im Bereich von 1 – 400 nm. SANS-Instrumente gewinnen wertvolle Informationen über die Größe, Form und Orientierung der Bestandteile und magnetischen Eigenschaften in einer Probe.
Kleinwinkelstreuung umfasst eine Vielzahl von wissenschaftlichen und technologischen Anwendungen, wie z.B. die Untersuchung von weicher Materie (z.B. Polymere, Makromoleküle, biologische Proben), Bestimmung von Morphologie, Größe und Volumen der Ausscheidungen in Legierungen, Studium der chemischen Aggregation oder Untersuchung magnetischer Mikrostrukturen in nanokristallinem und sperrigem Material.

Neutronenreflektometrie misst reflektierte Neutronen unter sehr kleinen Einfallswinkeln (θin) an ebenen Flächen. Mit ihr lassen sich Dünnschichten an Grenzflächen (Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes für Neutronen, n0 ≠ n1) im Nano- bis Mikrometerbereich untersuchen.

Verschiedene Messmethoden stehen dabei zur Auswahl. Um vertikale Strukturen (entlang der z-Achse) zu bestimmen, werden die spiegelähnlich bzw. spekular reflektierten Neutronen (θin = θsc) in der Einfallsebene (ψ = 0) als Funktion des Einfallswinkels und / oder Wellenlänge (λ) gemessen. Hieraus lassen sich vertikale Streulängendichteprofile rekonstruieren.

Um horizontale Strukturen (in der x-y-Ebene), wie z.B. Rauigkeit, (magnetische) Domänen, Wirbel in Supraleitern und Cluster im Bereich von mehreren Mikrometern zu untersuchen, wird „in-plane off-specular scattering“ (ψ = 0, θin ≠ θsc) also die nicht spiegelähnlich reflektierten Neutronen in der Einfallsebene verwendet.

Zur Untersuchung horizontaler Strukturen in der x-y-Ebene in der Größenordnung atomarer Abstände (bis hinunter zu einigen Å) wird Neutronenstreuung unter streifendem Einfall (GIND) eingesetzt. Hier werden die gestreuten Neutronen außerhalb der Einfallsebene (ψ ≠ 0) detektiert, während Θin konstant ist.

Neutronenreflektometrie liefert für verschiedenste wissenschaftliche sowie technologische Anwendungen wertvolle Informationen über beispielsweise Polymer- und Tensid-Adsorption an festen oder flüssigen Grenzschichten, chemische Aggregation und chemisches Tiefenprofil, Struktur von Polymerschichten, Lipid-Doppelschichten in biologischen Membranen, magnetische ultradünne Schichten und Multischichten.

Elastische Neutronenstreuung Elastische Neutronenstreuung Für elastische Neutronenstreuung verfügbare Längen- und Zeitskalen verglichen mit anderen Untersuchungsmethoden.
Für elastische Neutronenstreuung verfügbare Längen- und Zeitskalen verglichen mit anderen Untersuchungsmethoden.

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