Dr. Walid Hetaba - Elektronenmikroskopie & XPS

In der Gruppe Elektronenmikroskopie & XPS untersuchen wir Materialien auf kleinen und kleinsten Längenskalen bis hin zu atomarer Auflösung. Mit unseren spektroskopischen Methoden erhalten wir Informationen über die chemische Zusammensetzung und die elektronische Struktur der untersuchten Proben. Durch die Untersuchung von Katalysatorproben mit diesen Methoden versuchen wir, Struktur und Funktion der Materialien in Relation zu setzen. Dies hilft dabei, bessere Katalysatoren und Prozesse zu entwickeln.

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine vielseitige Methode die es erlaubt verschiedene Techniken in nur einem einzigen Gerät anzuwenden (Abb. 1a). Neben der Aufnahme von Hochauflösungsmikroskopie-Bildern der untersuchten Proben können auch Experimente zur Elektronenbeugung durchgeführt werden. Diese Techniken können mit analytischen Untersuchungsmethoden, wie energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) und Elektronen-Energieverlustspektrometrie (EELS), ergänzt werden. Bei EDS-Analysen werden die von der Probe emittierten charakteristischen Röntgenstrahlen aufgezeichnet und so die elementare Zusammensetzung lokal aufgelöst untersucht. Bei EELS wird die vom Elektronenstrahl auf die Probe übertragene Energie aufgezeichnet und dazu genutzt um die lokale elektronische Struktur zu untersuchen.

Mit dem zweiten Standbein unserer Arbeitsgruppe, der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), kann die chemische Zusammensetzung und die elektronische Struktur der Oberflächen von Festkörpern bestimmt werden (Abb. 1b). Durch Röntgenstrahlung werden Photoelektronen und Auger-Elektronen freigesetzt, deren Energie bestimmt wird, wodurch Informationen über die Oberfläche der untersuchten Materialien gewonnen werden können.

EELS und XPS verbindet, dass Informationen über die die lokale elektronische Struktur, Oxidationszustände und die Bindungszustände der untersuchten Materialien erhalten werden können.^1,2 Während bei XPS Informationen über den besetzten Teil der elektronischen Zustandsdichte gesammelt werden (Abb. 2a), ist für EELS der unbesetzte Teil der Zustandsdichte zugänglich (Abb. 2b). Mit beiden spektroskopischen Methoden können zusätzlich die Valenz- und Leitungsbandstruktur untersucht werden.

Lebenszyklus von TEM und XPS Daten

Analytische Elektronenmikroskopie und XPS sind wichtige und weit verbreitete Teile der Untersuchungsroutinen in modernen Katalyseforschungsinstituten. Eine sorgfältige und standardisierte Konzeption der Experimente und die Auswahl der korrekten analytischen Methoden sind hierbei von höchster Wichtigkeit. Die Effizienz in der Forschung kann erheblich gesteigert werden, wenn die Wissenschaftler in den Laboratorien standardisierte Untersuchungen, wie Materialscreening oder qualitative Analysen der Zusammensetzung selbst durchführen. In unserer Gruppe wenden wir die standardisierten Prozeduren und Workflows an, die wir im ChemiTEM Projekt am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Zusammenarbeit mit Thermo Fisher Scientific entwickelt haben.³ Außerdem erweitern wir diese Prozeduren auf die spektroskopischen Techniken, die in unserer Gruppe verfügbar sind.
Der nächste Schritt im Lebenszyklus von TEM und XPS Daten ist die detaillierte Analyse. Nur so lassen sich die gewonnenen Informationen mit den Daten anderer Experimente in Relation setzen um Informationen über die Eigenschaften neuer Modellkatalysatoren zu erhalten. Dafür müssen die gewonnenen Daten einfach zu durchsuchen, auszuwerten und weiterverwendbar sein. Um das zu erreichen ist unsere Gruppe auch im FAIRmat Konsortium eingebunden.⁴

Ein besonderer Schwerpunkt in unserer Gruppe ist die Untersuchung von inert-transferierten (d.h. unter Ausschluss von Luftsauerstoff in die Geräte eingebrachten) Proben. Dies ist essentiell, da der Kontakt mit Luft die untersuchten Katalysatoren verändern würde. Dafür stehen uns einzigartige selbst entwickelte Methoden zur Verfügung, die uns optimale Abläufe bei TEM- und XPS- Untersuchungen ermöglichen.

Die Durchführung von spektroskopischen Experimenten kann, wie auch die Auswertung der Ergebnisse, sehr herausfordernd und komplex sein. Ein Vergleich mit Referenzspektren und Simulationen ist daher für eine tiefgehende Analyse notwendig, allerdings wird es immer schwieriger, Datensätze manuell zu analysieren. Wir führen EELS-Simulationen mithilfe einer Kombination von auf Dichtefunktionaltheorie (DFT) und dem Blochwellenformalismus basierenden Softwarepaketen durch.^5,6 Für die Auswertung von XPS Daten nutzen und entwickeln wir viele moderne Methoden der Data Science und des maschinellen Lernens, darunter Monte-Carlo-Simulationen, Unsupervised Machine Learning und neuronale Netze. Ein aktuelles Projekt konzentriert sich auf die Verwendung von Convolutional Neural Networks für die automatisierte Analyse komplexer XP-Spektren von Übergangsmetallen (siehe Abb. 3a).

Eine Herausforderung bei TEM Untersuchungen ist die Kohlenstoffkontamination der Probenoberfläche, die die Bildqualität sowie die spektroskopischen Analysen beeinträchtigt (Abb. 3 b).⁷ Unsere aktuellen Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der chemischen Analyse der Kontaminationsprodukte und zielen darauf ab, individuell auf die jeweilige Probe zugeschnittene Methoden zur Vermeidung von Kontamination zu entwickeln.

Wir unterstützen alle Arbeitsgruppen des Instituts mit unseren elektronenmikroskopischen und oberflächenanalytischen Methoden. Überall wo lokale analytische Charakterisierung auf kleinsten Längenskalen erforderlich ist, kommen unsere Geräte zum Einsatz. Im Zusammenspiel mit den analytischen Methoden anderer Arbeitsgruppen helfen unsere Methoden, die aktuellen Projekte am Institut zu bearbeiten.

In einem weiteren Projekt, das Teil des Exzellenzclusters UniSysCat ist, untersuchen wir eine Serie von bimetallischen nanokatalytischen Systemen um den Effekt der Partikelmorphologie (Größe, Zusammensetzung, Anordnung etc.) auf Selektivität und Umsatz in bestimmten Reaktionen zu verstehen.⁸ Unterschiede im katalytischen Verhalten aufgrund von Änderungen in der Synthese und Vorbehandlung der Katalysatoren können dann zu Änderungen in der räumlichen und elektronischen Struktur, wie sie im TEM untersucht wird, in Relation gesetzt werden.