Beschaffung eines bildgebenden Mikrobereichs-Röntgen-Photoelektronen-Spektrometers (µ-XPS)

Die nachfolgend aufgeführten Funktionen stellen zwingende Mindestanforderungen für die Beschaffung dar. M1 - Bildgebende hochortsauflösende Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) als Kerntechnologie (µ-XPS). Das System muss Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) mit monochromatischer Al K(alpha)-Strahlung durchführen können. Die Energieauflösung muss <= 0,5 eV (FWHM Ag 3d5/2), auch auf isolierenden Proben betragen. Die laterale Auflösung muss <= 10 µm (Spotgröße) erreichen. Auch gefordert ist eine Bild-gebende XPS Analytik, bei der voll quantifizierbare Element-Konzentrations-Verteilungen aufgenommen werden können. Die möglichen Bildbereiche sollen dabei von ca. 100 Mikrometer Durchmesser bis in den Bereich mehrerer Millimeter reichen. Zudem ist (bei hohen Vergrößerungen) eine Lateralauflösung <=10 µm gefordert. Die technische Realisierung kann sowohl durch Rastern des Röntgenstrahls, Verfahren der Stage oder elektronenoptische Abbildungen der Analysator-Eintrittsblende erfolgen. Zudem sollen chemische Bindungszustände auch in der Bildgebung unterschieden werden können. Die Bildgebung muss zwingend auf isolierenden, magnetisierbaren, magnetischen Proben ohne entscheidende Verluste an Sensitivität, energetischer und räumlicher Auflösung möglich sein. Falls eine magnetische Immersionslinse unter der Probenebene genutzt wird muss der Anbieter nachweisen, dass auch stark magnetische Proben ohne Qualitätseinbußen charakterisiert werden können. M2 - Simultane Ladungsneutralisierung mit niederenergetischen Elektronen und Ar-Ionen. Das System muss über eine Ladungskompensation verfügen, die aus einer einzigen koaxialen Quelle oder aus zwei steuerungstechnisch gekoppelten Quellen simultan oder alternierend mit geeigneten Schaltzeiten niederenergetische Elektronen und Ar-Ionen emittiert, um so eine automatische, quasi-stationäre Neutralisierung durchzuführen und damit auch auf lokal isolierenden Probenbereichen nur einen verschwindenden, aufladungsbedingten Energie-Shift realisiert. M3 - Schaltbare Ionenquelle: Cluster-Modus (GCIB) und Atom-Modus (monoatomar) aus einer Quelle mit Massenselektion. Das System muss eine Ionenquelle aufweisen, die zwischen einem Cluster-Ionenmodus (Gas Cluster Ion Beam, GCIB, Clustergröße variabel bis <= 2000 Ar-Atome/Cluster) und einem monoatomaren Ar-Modus umschalten kann, oder über zwei separat schaltbare Quellen verfügen. Die Massenauswahl muss durch einen Massen-Selektor sei es magnetisches Sektorfeld oder Wien-Filter erfolgen, der eine definierte Clustergrößenauswahl ermöglicht. Ein rein elektrostatisches Quadrupol-System käme bei dieser Clustergröße schon in den Grenzbereich. M4 - Integrierte optische Probenbeobachtung ohne Beeinträchtigung des Analysestrahlengangs. Das System muss eine koaxiale optische Probenbeobachtung ermöglichen, bei der der Beobachtungsstrahlengang koaxial mit dem Analysator-Eintritt ausgerichtet ist und der Analysator-Eingang durch einen perforierten Spiegel (Lochspiegel, 45°-Anordnung) freigehalten wird. M5 - Integrierte schnelle Tiefenprofilierung mit vernachlässigbarem Einfluss auf die chemische Struktur. Für die am Institut untersuchten Materialsysteme, darunter funktionale Oxidschichten, Batterieelektrodenmaterialien, Triboschichten verschleißbehafteter Bauteile sowie empfindliche Grenzflächen und dünne Schichten, ist es zwingend erforderlich, ein Abtragverfahren einzusetzen, das den Energieeintrag in die Probe auf ein Minimum reduziert und insbesondere keine relevanten thermischen oder impulsinduzierten Veränderungen verursacht. Oberflächen-Stöchiometrie, -Bindungszustände und Chemie sollen möglichst schonend auch über extreme Tiefenbereiche bis zu <100µm verfolgt werden können. Effekt durch Aufrauhung sollen möglichst vermieden werden. Vor diesem Hintergrund besteht die funktionale Mindestanforderung, dass das einzusetzende Tiefenprofilierungsverfahren weitgehend frei von thermischen Effekten sowie von stoßkaskadeninduzierten Impulseinträgen ist. Ausschließlich eine in das XPS-Vakuumsystem integrierte fs-Laserablation ist geeignet, die bestehenden methodischen Limitierungen konventioneller Sputterverfahren zu überwinden und gleichzeitig die erforderliche analytische Integrität der Proben sicherzustellen. Ex-situ-Ansätze scheiden aufgrund unvermeidbarer Reoxidations-, Kontaminations-, Positions- und Korrelationsprobleme als gleichwertige Alternative aus. Darüber hinaus ist die fs-Laserablation nach dem derzeitigen Stand der Technik die einzige praktikable Methode, um Tiefenprofile bis in den Bereich von 10 µm bis hin zu >= 100 µm unter Erhalt von Stöchiometrie und chemischen Bindungszuständen in vertretbaren Messzeiten zu realisieren. Konventionelle Ionensputterverfahren sind in diesem Tiefenbereich sowohl aus zeitlichen als auch aus physikalisch-methodischen Gründen nicht sinnvoll einsetzbar. Die in-situ fs-Laserablation stellt damit eine zwingende funktionale Voraussetzung dar, um valide Tiefenprofile auch bei komplexen, reaktiven und/oder dickschichtigen Materialsystemen zu ermöglichen und zentrale wissenschaftliche sowie auftragsbezogene Fragestellungen des Instituts überhaupt bearbeiten zu können. Das System muss daher zwingend eine Femtosekunden-(fs)-Laserablations-Einheit aufweisen, die folgende funktionalen Parameter erfüllt: -Pulsdauer: Femtosekundenbereich (< 1 ps) -Integration: Im selben Vakuumsystem wie XPS-Analysator -Zyklussteuerung: Automatisch: Ablation => XPS-Analyse => Wiederholung -Parametersteuerung: Automatische Anpassung von Pulsdauer, Energie, Repetitionsrate, Wellenlänge, Spotgröße durch Controller - Strahlprofil: Definiertes Top-Hat-Profil oder Gaus-artig, schaltbar -Polarisationssteuerung: Variable Polarisation (linear, zirkulär, elliptisch) oder Polarisationsrotation -Tiefenreichweite: > 50 µm (übersteigt Kapazität konventioneller Ionensputterprofilierung)