Atom probe instrument for the imaging of hydrogen in materials – laser pulsing / detector upgrade

用于材料中氢成像的原子探针仪器 â 激光脉冲/探测器升级

基本信息

  • 批准号:
    516600907
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    德国
  • 项目类别:
    Major Research Instrumentation
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    德国
  • 起止时间:
    2022-12-31 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

APT has been widely used to study a range of high-strength structural alloys, semiconductor materials and oxides. It is uniquely suited for the imaging and analysis of all chemical elements in a sample without bias and with equal sensitivity. At FAU we aim to be on the forefront of atom probe tomography research. This includes in-house developed systems with special capabilities. Up to recently, APT excluded the imaging and analysis of hydrogen due to contamination from the stainless-steel chambers used. The in-house developed systems include a high-end instrument with titanium interior and chamber, resulting in an ultra-low hydrogen background for direct detection of hydrogen1. This instrument is the first and currently only one world-wide to achieve this. It can provide imaging and analysis for all chemical elements with equal sensitivity. This is especially important for the research on materials for the hydrogen economy. In this proposal we seek the upgrade of this ultra-low H atom probe system to state-of-the-art laser assisted field evaporation with an adequate digital front-end detector. This will serve multiple purposes. Firstly, it will allow the analysis of hydrogen in non-conductive materials and greatly increase the data yield on conductive specimens. Secondly, it will improve the detection efficiency of non-random detector hits, which are especially prevalent in laser-assisted atom probe tomography and therefore increase the analysis accuracy. Thirdly, it will enable us to analyse non-conductive materials with high detection efficiency (> 80% of all atoms), complementary to our existing instrument, which provides < 40 % detection efficiency albeit at high mass resolution. The upgrade consists of: (i) a tuneable deep-UV fs laser with < 300 nm minimum wavelength, > 1000 pJ pulse energy and a pulse repetition rate > 200 kHz, including optics for diffraction limited focussing and spot positioning. (ii) A delayline detector (detector head, high voltage power supply and pre-amplifier) with at least one redundant delayline and direct digitization with ≥ 2.5 GSa/s/ch on at least one channel per delayline endpoint. The atom probe laser upgrade applied for here will used in a broad research environment of materials research at FAU. The starting point is the Institute for General Materials Properties (WW1), where the fascinating possibilities of the atom probe are used very profitably in different areas (e.g. lightweight construction materials, catalysis, particle technology) and together with our collaboration partners (TU Wien, MU Leoben / Uni Innsbruck, Paul Scherrer Institute, Oak Ridge National Lab and more). The atom probe upgrade will also continue to enrich research at important FAU institutes, such as the Central Institute for New Materials and Process Technology, ZMP, and the Helmholtz Institute Erlangen-Nuremberg, which focuses on materials research for renewable energies.
APT 已广泛用于研究一系列高强度结构合金、半导体材料和氧化物,它特别适合对样品中的所有化学元素进行无偏差且具有相同灵敏度的成像和分析。一直处于原子探针断层扫描研究的前沿,其中包括具有特殊功能的内部开发系统,由于所使用的不锈钢腔体受到污染,APT 无法对氢气进行成像和分析。具有钛内部和腔室的高端仪器,可实现超低氢背景,可直接检测氢1。该仪器是世界上第一个也是目前唯一一个能够实现所有化学元素的成像和分析的仪器。这对于氢经济材料的研究尤其重要,在本提案中,我们寻求将这种超低氢原子探针系统升级为具有足够数字能力的最先进的激光辅助场蒸发。这将服务于多个前端检测器。首先,它将允许分析非导电材料中的氢,并大大提高导电样品的数据产量,其次,它将提高非随机探测器命中的检测效率,这在激光辅助原子中尤其普遍。第三,它将使我们能够以高检测效率(> 所有原子的 80%)分析非导电材料,这与我们现有的仪器相辅相成,即使在高检测效率下,我们现有的仪器也能提供 < 40% 的检测效率。升级包括:(i) 最小波长 < 300 nm、> 1000 pJ 脉冲能量和 > 200 kHz 脉冲重复率的可调谐深紫外飞秒激光,包括用于衍射限制聚焦和光斑定位的光学器件。 ) 延迟线探测器(探测器头、高压电源和前置放大器)至少有一条冗余延迟线并直接数字化≥2.5每个延迟线端点至少有一个通道的 GSa/s/ch 此处申请的原子探针激光升级将用于 FAU 的材料研究的广泛研究环境,起点是通用材料特性研究所 (WW1)。与我们的合作伙伴(维也纳工业大学、莱奥本大学/因斯布鲁克大学、保罗谢勒研究所、原子探针升级还将继续丰富 FAU 重要机构的研究,例如中央新材料和工艺技术研究所、ZMP 以及专注于材料研究的埃尔兰根-纽伦堡亥姆霍兹研究所。用于可再生能源。

项目成果

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