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NDP

Tiefenprofilanalyse

NDP NDP NDP zur Untersuchung des Ionen-Transports in Batterien © TUM

NDP zur Untersuchung des Ionen-Transports in Batterien © TUM

Tiefenprofilanalyse oder Neutron Depth Profiling (NDP) macht sich den Energieverlust geladener Teilchen nach Durchqueren von Materie zu Nutze. Der Verlust ist im Wesentlichen abhängig von den Schichtdicken und den Dichten der Materialien zwischen Entstehungsort des Teilchens und Detektor. Eine neuentwickelte Erweiterung an der PGAA-Anlage ermöglicht die zerstörungsfreie und quantitative Analyse von Tiefenprofilen mit kalten Neutronen. Das Verfahren ist besonders empfindlich für einige Nuklide der leichten Elemente wie 3He, 6Li, 10B or 14N mit Nachweisgrenzen bis in den ppba-Bereich. Die Tiefenauflösung ist bis hinunter zu 5nm möglich, ist aber äußerst matrixabhängig. Tiefenprofilanalysen werden insbesondere in der Batterieforschung (Lithium-Ionen-Batterien) eingesetzt. NDP-Messungen sind auch in operando während des Lade- und Entladevorgangs möglich.

Übersicht NDP

  • Zerstörungsfreie Profilanalyse
  • Bestimmung bestimmter stabiler Nuklide: 3He, 6Li, 10B, 14N, 17O, 33S, 35Cl
  • Bestimmung von Radionukliden: 7Be, 22Na, 37Ar, 40K, 59Ni, 210Po
  • Tiefenprofile in nahezu allen Probenmatrizen
  • Maximale Tiefe in Feststoffen <50 µm (materialabhängig)
  • Tiefenauflösung bis zu 5nm (materialabhängig)

Beispielhafte Anwendungen

Qualitätskontrolle in der Fertigung

  • Oberflächenanalyse von Bor in Borofloatglas (Neutronleitermaterial)
  • Profilanalyse der Implantation von Bor oder Helium-3 in Siliciumsubstraten

Grundlagenforschung in der Kernphysik

Materialwissenschaften und Ingenieurwesen

  • Profilanalyse von Bor in CoRe-Superlegierungen für die Entwicklung neuartiger hitzebeständiger Gasturbinen
  • Bestimmung der Zusammensetzung und der Homogenität von lithiumhaltigen Einkristallen

Energiesysteme

  • Profilanalyse der Lithium-Immobilisierung in Electroden für Lithium-Ionen-Batterien
  • In-operando tracking der reversiblen Aufnahme von Lithium in Elektrode während des (Ent-)Ladevorganges
  • Lithium-/natriumbasierte Elektroden für zukünftige Batteriesysteme Litium-Ionen-Batterien
  • Lithiumbasierte Systeme für organische Leuchtdioden (OLEDs)

Medizin und Gesundheit

  • Lithiumansammlungen in menschlichem Hirngewebe (Depressionsforschung)

Technische Daten

Neutronenstrahl
Kaltes Neutronenspektrum von Leiter NL4b (letzte 5.8m elliptisch fokussiert) mit einer mittleren Energie von 1.83 meV (6.7 Å).
Zwei unterschiedliche Strahleinstellungen:

Für größere Proben mit einer Kollimation

  • Strahlgröße: 20×30 mm2
  • Neutronenstrahl Fluss max.: 2×109 n cm-2 s-1 therm. N.-Äqu.
  • Für kleinere Proben mit 1.1 m elliptischen Neutronenleiter:
  • Strahlgröße: 11×16 mm2
  • Neutronenstrahl Fluss max.: 6×1010 n cm-2 s-1 therm. N.-Äqu.

Messbedingungen

  • Abmessungen max. 150 mm x 150 mm; Mindestmaß von 10 mm x 10 mm bevorzugt
  • Präparation: Probendicke zwecks Untergrundminimierung soweit wie sinnvoll möglich reduzieren

Instrumentverantwortliche

Dr. Zsolt Revay
Telefon: +49 (0)89 289-12694
E-Mail:

Dr. Christian Stieghorst
Telefon: +49 (0)89 289-54871
E-Mail:

Dr. Xiaosong Li
Telefon: +49 (0)89 289-12130
E-Mail:

Betreiber

TUM

Publikationen

M. Trunk, M. Wetjen, L. Werner, R. Gernhäuser, B. Märkisch, Zs. Revay, H. Gasteiger, R. Gilles, Materials Science Applications of Neutron Depth Profiling at the PGAA facility of Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. (2018). Materials Characterization, 146, 127-134, http://dx.doi.org/10.1016/j.matchar.2018.09.030

M. Wetjen, M. Trunk, L. Werner, R. Gernhäuser, B. Märkisch, Zs. Revay, R. Gilles, H. Gasteiger, Quantifying the Distribution of Electrolyte Decomposition Products in Silicon-Graphite Electrodes by Neutron Depth Profiling. (2018). Journal of The Electrochemical Society, 165, 10, A2340-A2348 , http://dx.doi.org/10.1149/2.1341810jes

M. Wetjen, M. Trunk, L. Werner, R. Gernhäuser, B. Märkisch, Zs. Revay, R. Gilles, H. Gasteiger, Monitoring the Lithium Concentration across the Thickness of Silicon-Graphite Electrodes during the first (De-)Lithiation. (2019). Journal of The Electrochemical Society, 166, 8, A1408-A1411. http://dx.doi.org/10.1149/2.0581908jes

Zitierung Instrument

L. Werner, M. Trunk, R. Gernhäuser, R. Gilles, B. Märkisch, Zs. Revay, The new Neutron Depth Profiling Instrument N4DP at the Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. (2018). Nucl Instr Meth A 911, 30-36, http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2018.09.113

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