Oberflächen nach Maß
Hertz-Elektronenstrahllabor
Forschungsinfrastruktur für Materialmodifikation und Spektroskopie mit hochenergetischen Elektronen
Das Hertz-Elektronenstrahllabor stellt eine deutschlandweit einzigartige Infrastruktur für die Untersuchung und gezielte Modifikation von Materialien mit hochenergetischen Elektronen bereit. Ziel ist es, fundamentale Prozesse zu verstehen und gleichzeitig anwendungsnahe Technologien für Forschung und Industrie zu entwickeln.
Elektronenstrahlbasierte Materialmodifikation
- Einsatz von Elektronenstrahlen bis 10 MeV zur gezielten Materialbearbeitung
- Modifikation von Polymeren, Halbleitern, Diamanten und Hybridmaterialien
- Anpassung von Oberflächen- und Materialeigenschaften
- Entwicklung materialspezifischer Bestrahlungsszenarien
Untersuchung dynamischer Prozesse
- Zeitaufgelöste Analyse von elektroneninduzierten Reaktionen
- Erforschung von Kinetik und Dynamik auf atomarer und molekularer Ebene
- Einsatz von Methoden wie Pulsradiolyse und Laserphotolyse
- Kombination von Experiment und Analyse für tiefes Prozessverständnis
Flexible Infrastruktur und experimentelle Möglichkeiten
- Betrieb von zwei 10-MeV-Elektronenbeschleunigern
- Ergänzende Nutzung von Niederenergiebeschleunigern (< 250 keV)
- Durchführung von Experimenten unter Vakuum, Luft oder Inertgas
- Anpassbare Bedingungen wie Temperatur, Dosis und Bestrahlungsumgebung
Beitrag als zentrale Forschungsinfrastruktur
- Plattform für Grundlagenforschung und industrienahe Projekte
- Entwicklung von Lösungen gemeinsam mit akademischen und industriellen Partnern
- Unterstützung verschiedener Forschungsbereiche am IOM
- Beitrag zur Positionierung des IOM als leistungsstarker Technologiepartner
Projekte
Revolutionäre Krebsdiagnostik durch Nanodiamant-Relaxometrie - NanoDetect
Das Projekt zielt darauf ab, das vielversprechende neue Konzept der Relaxometrie für die Krebsdiagnose zu nutzen. Dabei werden nanoskopische Diamanten als optische Sensoren in Zellen eingesetzt, um mit Hilfe von Lasern einzelne Tumorzellen mit einem abweichenden Zellstoffwechsel zu identifizieren.
Die Umsetzung dieses Sensorkonzepts erfordert Kompetenzen in molekularer Biologie, Materialwissenschaften, Optik, Elektronik und Informatik und vereint Partner aus dem universitären Bereich (Münster, Osnabrück, Groningen) und mehrere KMU (Jüke, bill-X, QT-Sense).
Im Rahmen des Projektes erforscht das IOM die physikalischen Wechselwirkungen hochenergetischer Elektronen mit nanoskopischen Diamanten mit dem Ziel, eine hohe Anzahl optischen aktiven Stickstoff-Vakanz (NV) Zentren pro Partikel mit einer möglichst einheitlichen, langen T1 Relaxationszeit kontrolliert zu generieren (verbesserte Reproduzierbarkeit und Sensitivität der Diagnostik). Außerdem werden die Oberflächen der Nanodiamanten gezielt für die Aufnahme in unterschiedlichen Zelllinien zu optimieren.
Gefördert durch Europäische Union und Interreg DE-NL
Photoinduziertes Multilevelschalten von Polyoxometallat-Chromophor-Hybridverbindungen: Ladungs- vs. Widerstands-basierte Datenspeicherung
Das interdisziplinäre Projekt untersucht organisch-anorganische Polyoxometalat-(POM-)Hybridverbindungen mit porphyrinoiden Chromophoren als neuartige molekulare Speicher- und Schaltelemente. Ziel ist die kontrollierte Speicherung, Übertragung und Umschaltung von Mehrfachelektronenladungen sowie die Aufklärung des zugrunde liegenden lichtinduzierten Schaltmechanismus (photokondensatorähnlich versus photoinduziertes ReRAM). Die Materialien werden am IOM synthetisiert und ihre Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Lösung und auf Oberflächen mittels strahlenchemischer Methoden, optischer Anregung, Rastertunnelmikroskopie und Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie untersucht. Die Pulsradiolyse erlaubt die zeitaufgelöste Erzeugung und Detektion kurzlebiger Radikal- und Ladungszustände erlaubt und bietet damit einen direkten Zugang zu Elektronentransferprozessen und Ladungsspeichermechanismen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen die Entwicklung energieeffizienter, leistungsstarker, molekülbasierter memristiver Schalter für neuromorphe Nanostrukturen und Deep-Learning-Anwendungen beschleunigen.
Gefördert durch DFG
Rechts: Zugehörige Transientenabsorptions-Zeitprofile bei 720 nm, die die k beschleunigte Abreaktion des solvatisierten Elektrons mit zunehmender V₆-Polyoxovanadat-Konzentration zeigen. (Vogelsberg et al. Adv. Sci. 2024, 11, 2401595.)
Industrieorientierte Elektronenstrahlbehandlung zur kostengünstigen und qualitativ hochwertigen Erzeugung von Farbzentren in (Nano)Diamanten
Fluoreszierende (Nano)Diamanten werden für viele Anwendungen in der Quantensensorik, der Biotechnologie und der Medizin benötigt. Leistungsfähige, hochempfindliche Quantensensoren auf Diamantbasis weisen eine hohes Anwendungspotential für die Batterietechnik, Elektromobilität, Robotik oder die chemische Industrie auf. In der Medizin können fluoreszierende Nanodiamanten gesundheitlich kritische Substanzen in MRT-Kontrastmitteln ersetzen oder als Sensoren für Prozesse in Zellen dienen. Bisher sind solche Anwendungen aber noch unwirtschaftlich, da die Kosten für die Herstellung der entsprechenden Farbzentren wie z.B. Stickstoff-Vakanz (NV) - Zentren diese Materialien extrem teuer machen.
Das IOM hat ein innovatives Bestrahlungsverfahren zur effizienteren Herstellung der notwendigen NV-Zentren identifiziert. Dieses hat das Potential, die Kosten für die Herstellung von NV-Zentren in Nano-, Mikro- und Bulk-Diamanten um den Faktor 50 zu reduzieren. Gleichzeitige ist eine signifikante Qualitätsverbesserung durch Verringerung störender Fehlstellen möglich. Mit dem Validierungsvorhaben sollen das technische und wirtschaftliche Einsparungspotential erschlossen und umgesetzt werden, sowie mögliche Anwendungsfelder näher erkundet werden, um einen zeitnahen Transfer in die Wirtschaft zu verwirklichen.
Gefördert durch Sächsische Aufbaubank - SAB
Revolutionäre Krebsdiagnostik durch Nanodiamant-Relaxometrie - NanoDetect
Das Projekt zielt darauf ab, das vielversprechende neue Konzept der Relaxometrie für die Krebsdiagnose zu nutzen. Dabei werden nanoskopische Diamanten als optische Sensoren in Zellen eingesetzt, um mit Hilfe von Lasern einzelne Tumorzellen mit einem abweichenden Zellstoffwechsel zu identifizieren.
Die Umsetzung dieses Sensorkonzepts erfordert Kompetenzen in molekularer Biologie, Materialwissenschaften, Optik, Elektronik und Informatik und vereint Partner aus dem universitären Bereich (Münster, Osnabrück, Groningen) und mehrere KMU (Jüke, bill-X, QT-Sense).
Im Rahmen des Projektes erforscht das IOM die physikalischen Wechselwirkungen hochenergetischer Elektronen mit nanoskopischen Diamanten mit dem Ziel, eine hohe Anzahl optischen aktiven Stickstoff-Vakanz (NV) Zentren pro Partikel mit einer möglichst einheitlichen, langen T1 Relaxationszeit kontrolliert zu generieren (verbesserte Reproduzierbarkeit und Sensitivität der Diagnostik). Außerdem werden die Oberflächen der Nanodiamanten gezielt für die Aufnahme in unterschiedlichen Zelllinien zu optimieren.
Gefördert durch Europäische Union und Interreg DE-NL
Publikationshighlights
Y. Mindarava, R. Blinder, C. Laube, W. Knolle, B. Abel, C. Jentgens, J. Isoya, J. Scheuer, J. Lang, I. Schwartz, B. Naydenov, F. Jelezko
Efficient conversion of nitrogen to nitrogen-vacancy centers in diamond particles with high-temperature electron irradiation
Carbon170 (2020) 182-190, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.07.077
Fluoreszierende Nanodiamanten mit negativ geladenen Stickstoffleerstellen (NV-) sind vielversprechend für eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. zur Erfassung, als Fluoreszenzbiomarker oder zur Hyperpolarisierung von Kernspins. NV¯-Zentren werden aus Defekten des Substitutionsstickstoffs (P1-Zentren) und Leerstellen im Diamantgitter gebildet. Wir berichten hier über die Charakterisierung von oberflächengereinigten fluoreszierenden Mikro- und Nanodiamanten, die durch Bestrahlung von handelsüblichem Diamantpulver mit hochenergetischen (10 MeV) Elektronen und gleichzeitigem Tempern bei 800 °C erhalten wurden. Mit dieser Technik und der Erhöhung der Bestrahlungsdosis demonstrieren wir die Erzeugung von NV¯. mit einer Umwandlungsausbeute von bis zu 25% und untersuchen die Auswirkungen der Bestrahlungsdosis und der Partikelgröße auf die Kohärenzzeit von NV¯.
E. Vogelsberg, J. Griebel, I. Engelmann, J. Bauer, F. Taube, B. Corzilius, S. Zahn, A. Kahnt and K. Y. Monakhov
Reversible optical switching of polyoxovanadates and their communication via photoexcited states
Adv. Sci. (Weinh.) 2024 11(30): e2401595, https://doi.org/10.1002/advs.202401595
Das 2-Bit-Polyoxometalat (POM) vom Lindqvist-Typ [V(6)O(13)((OCH(2))(3)CCH(2)N(3))(2)](2-) mit einem diamagnetischen V(6)O(19)-Kern und Azid-Endgruppen weist laut NMR-Spektroskopie sechs voll oxidierte V(V) Zentren auf. Unter UV-Bestrahlung zeigt es in Acetonitril- und Wasserlösungen einen reversiblen Wechsel zwischen seinem Grundzustand S(0) und den energetisch höher liegenden Zuständen. TD-DFT-Berechnungen zeigen, dass dieser Prozess hauptsächlich durch Anregung vom S(0)- in den S(9)-Zustand initiiert wird. Pulsradiolyse-Experimente mit dem solvatisierten Elektron weisen auf eine photochemisch induzierte Ladungsdisproportionierung von V(V) zu V(IV) und eine Elektronenübertragung zwischen den POM-Molekülen über ihre angeregten Zustände hin. Die Existenz dieser einzigartigen POM-zu-POM-Elektronenübertragung wird auch durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)-Untersuchungen an goldmetallisierten Siliziumwafern (Au//SiO(2)//Si) unter Umgebungsbedingungen bestätigt. Die Menge der reduzierten Vanadiumzentren in der „begrenzten” Umgebung nimmt nach Bestrahlung mit weichen Röntgenstrahlen im Vergleich zu nicht bestrahlten Proben erheblich zu. Der angeregte Zustand eines POM-Anions scheint zu einem nachfolgenden Elektronentransfer von einem anderen POM-Anion zu führen. Diese Reaktion wird jedoch verhindert, sobald der relaxierte T(1)-Zustand des POM erreicht ist.
M. Bähr, C. Wild, W. Knolle, M. B. Javed, J. Fuhrmann, T. Lühmann, S. Reiss, J. B. Meijer, T. Ortlepp
Making use of low‐cost high‐pressure–high‐temperature‐diamond materials for industry‐type quantum sensor device applications
Physica Status Solidi (a) (2024) 222, https://doi.org/10.1002/pssa.202400457
Es wird ein kostengünstiger Ansatz zur Herstellung von Diamantplättchen mit Stickstoff-Vakanz-Zentren-Ensembles (NVs) im ppm-Bereich untersucht. Es werden industrietypische Hochdruck-Hochtemperatur-Diamanten vom Typ 1b verwendet, die eine hohe Anzahl an interstitiellen Stickstoffatomen im Bereich von mehreren zehn ppm enthalten, und kleine Diamantplättchen (Größe ≈1x1 mm2, Dicke ≈300 μm) werden durch Laserschneiden und Polieren hergestellt. Der Stickstoff wird durch Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen von 10 MeV und Tempern bei 900 °C in NV umgewandelt. Variationen in der Bestrahlungsdosis zwischen 0,5E18 1/cm2 und 2E18 1/cm2 führen zu unterschiedlichen NV-Dichten. Die Diamantplättchen werden hinsichtlich ihrer Stickstoffkonzentration und Photolumineszenz analysiert, und mit Hilfe der optisch detektierten Magnetresonanz wird die Verwendbarkeit für ein NV-basiertes Magnetometer untersucht. Es wird eine Methode zur Berechnung des Verhältnisses von negativ zu neutral geladenen NV (NV-/NV0) vorgeschlagen, die die Photolumineszenzintensitäten des Spektrums bei 575 und 638 nm nutzt, nämlich die Null-Phononen-Linien von NV- und NV0.
J. M. Bopp, H. Conradi, F. Perona, A. Palaci, J. Wollenberg, T. Flisgen, A. Liero, H. Christopher, N. Keil, W. Knolle, A. Knigge, W. Heinrich, M. Kleinert, T. Schröder
Diamond-on-chip magnetic field camera for mobile imaging
Physical Review Applied 23 (2025), https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.034024
Integrierte und faserverpackte Magnetfeldsensoren mit einer Empfindlichkeit, die ausreicht, um elektrische Impulse zu erfassen, die sich entlang von Nerven ausbreiten, und einer räumlichen Auflösung, die fein genug ist, um ihre Ausbreitungsrichtungen zu bestimmen, werden enorme Fortschritte in der medizinischen Diagnostik und Forschung ermöglichen. Stickstoff-Leerstellenzentren in Diamanten eignen sich am besten für solche Sensormissionen unter Umgebungsbedingungen. Die aktuelle Forschung zur Vereinigung einer guten Empfindlichkeit und einer hohen räumlichen Auflösung wird durch Scan- oder Bildgebungstechniken erleichtert. Diese Techniken verwenden jedoch bewegliche Teile oder sperrige Mikroskope. Beide Ansätze können nicht miniaturisiert werden, um robuste, einstellungsfreie Handgeräte zu bauen. In dieser Arbeit stellen wir Konzepte für die räumlich aufgelöste Magnetfeldmessung und die zweidimensionale Gradiometrie mit einer integrierten Magnetfeldkamera vor. Die Kamera nutzt die optisch detektierte Magnetresonanz (IRA ODMR) durch Infrarotabsorption, die durch senkrecht sich kreuzende Infrarot- und Pumplaserstrahlen vermittelt wird, die eine Pixelmatrix bilden. Wir demonstrieren die Fähigkeit unseres skalierbaren 3 × 3-Pixel-Sensors, die Position eines Elektromagneten zu rekonstruieren. In einer Referenzmessung zeigen wir eine IRA-ODMR-Empfindlichkeit von 44 nTHz−1/2.
C. Laube, I. Zwanck, M. Hanisch, L. Langguth, R. Staacke, R. Konieczny, A. Prager, J. Griebel, S. Zahn, W. Knolle
Radiation chemistry-based molecule grafting: a fast track to diamond-based hybrid sensors
Chemistry of Materials 36 (2024) 4368, https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c03295
Fluoreszierende Nanodiamanten mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) sind vielversprechende Quantensensoren für verschiedene industrielle, medizinische und biotechnologische Anwendungen. Ein entscheidender Faktor für ihre Anwendbarkeit ist ihre Oberflächenfunktionalität, die auf vielfältige Weise modifiziert werden kann. In diesem Artikel präsentieren wir erste Ergebnisse zu einem neuen Ansatz für die Synthese von Nanodiamant-Konjugaten mit Leuchtfarbstoffen durch eine elektronenstrahlinduzierte strahlenchemische Modifikation von Nanodiamanten. Dieses Verfahren umfasst die Pfropfung von Fluoren und 9,10-Dimethylanthracen. Die erfolgreiche Modifikation wird mit spektroskopischen, mikroskopischen und massenspektrometrischen Methoden charakterisiert. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die strahlungschemische Modifikation von Nanodiamanten schnell und effizient ist und zu einer stabilen Bindung des Moleküls an der Partikeloberfläche führt. Für das 9,10-Dimethylanthracen-Konjugat konnte eine wellenlängenselektive Anregung des Fluoreszenzfarbstoffs und des NV-Zentrums im Inneren des Nanodiamanten nachgewiesen werden. Die schnelle strahlungschemische Synthese neuer Nanodiamant-Konjugate könnte zur Herstellung von Multiparameter-Hybridsensorpartikeln genutzt werden, was einen großen Einfluss auf die Sensortechnologie, Medizin und Biotechnologie hätte.
Ausstattung
10 MeV Elektronenbeschleuinger ELEKTRONIKA
10 MeV Elektronenbeschleuinger MB10-30MP
ns-Pulsradiolyse
ns-Laserphotolyse
optische Spektroskopie (UV-Vis, Fluoreszenz, ODMR)
Niederenergiebeschleuinger < 250 keV
Ansprechpartner:
