Hochpräzises TOF-SIMS-Gerät unterstützt die Entwicklung von Materialien für extreme Bedingungen – wie Wasserstoffmotoren, Bohrkronen oder Fusionsreaktoren.

(WK-intern) – Das TOF-SIMS-Gerät des VTT ist eine neue Verstärkung der finnischen Materialforschung. Es ermöglicht die Untersuchung der Oberflächenzusammensetzung und Haltbarkeit von festen Materialien, wie sie beispielsweise in Wasserstoffmotoren, Halbleitern und Fusionsreaktoren verwendet werden.

Nicht nur VTT-Forscher und -Partner, sondern auch Produktentwickler von Unternehmen haben Zugriff auf dieses Gerät.

VTT hat Finnlands erstes TOF-SIMS-Gerät für die chemische Oberflächenanalyse erhalten. Dieses Instrument ist einzigartig in der Materialforschung, da es alle in einer Probe vorhandenen chemischen Elemente, einschließlich Wasserstoff, analysieren kann.

„Dieses Instrument wird uns wichtige Informationen über Materialien in wichtigen Bereichen der industriellen Produktentwicklung in Finnland liefern. Ich betrachte es als einen nationalen Vorteil für Finnland, und wir werden auch Unternehmen Analysedienstleistungen anbieten“, sagt Jari Likonen, leitender Wissenschaftler am VTT.

Er ist überzeugt, dass das Gerät bahnbrechende Ergebnisse liefern wird. Die Bedeutung des Instruments zeigt sich darin, dass keine andere Methode außer der TOF-SIMS-Analyse dreidimensionale und präzise Daten über die Elementzusammensetzung an der Oberfläche einer Materialprobe liefern oder Wasserstoff in Mikrostrukturen von Metallen nachweisen kann.

„Die Anwendungsbereiche sind im Grunde unbegrenzt. Die primäre Zielgruppe scheint die Mikroelektronik zu sein, da Forscher aus diesem Bereich bereits Proben eingereicht haben. Wir haben auch Proben aus der Metallindustrie für die Biokorrosionsforschung erhalten. Weitere wichtige Anwendungsbereiche sind Wasserstofftechnologie, Lithium-basierte Batterien, Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellen und Fusionsreaktoren“, erklärt Likonen.

Die Materialforschung am VTT setzt ihre Modernisierung mit einer Geräteinvestition im Wert von über einer Million Euro fort.

Das neue Gerät ist der nächste Schritt zur Modernisierung der Materialforschungsausrüstung des VTT, um den höchsten Standards in Europa und den nordischen Ländern gerecht zu werden. Bei der vorherigen ähnlichen Anschaffung handelte es sich um ein Plasma-FIB-Rasterelektronenmikroskop, das Ende letzten Jahres in Betrieb genommen wurde.

Teure TOF-SIMS-Geräte sind selten; weltweit gibt es nur wenige Hundert davon. Das für VTT angeschaffte deutsche Gerät kostete rund 1,3 Millionen Euro. Die Akademie von Finnland finanzierte rund 52 % der Investitionskosten, VTT den Rest. Die Beschaffung wurde vom H2MIRI-Konsortium des finnischen Forschungsinfrastrukturausschusses FIRI organisiert; dem Konsortium gehören neben VTT auch die Universitäten Oulu und Tampere an.

„Neben der Durchführung von Analysen für die Konsortiumsmitglieder werden wir Analysen auch als Dienstleistung anbieten. Für die Bedienung des Instruments und die Analyse der Ergebnisse wird weiterhin ein Spezialist benötigt. VTT verfügt über ein sechsköpfiges Team mit der notwendigen Anwenderschulung“, so Jari Likonen.

Großartig für Halbleiter-, Metall- und Wasserstofftechnologien

Der Nutzen von TOF-SIMS zeigt sich in Anwendungen wie Halbleitern und Mikroelektronik. In diesen Anwendungen ist es entscheidend, die Tiefenverteilungen und Mengen verschiedener Elemente in Materialschichten präzise zu bestimmen, da diese die elektrischen Eigenschaften beeinflussen. Likonen betont, dass diese spezifischen Informationen mit keiner anderen Methode als der TOF-SIMS-Analyse präzise gewonnen werden können.

Forschung zu Beschichtungen von Metallprodukten ist ebenfalls notwendig, da Verunreinigungen die Lebensdauer der Komponenten verkürzen können. Beispielsweise verschleißen Bohrer schneller, wenn die spezielle, zur Erhöhung der Haltbarkeit entwickelte Beschichtung nicht richtig haftet.

Die Technologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff, die in Finnland von großem kommerziellen Interesse ist, erfordert Analysen, da Wasserstoff Materialien spröde machen kann.

Likonen betont: „Wasserstoffansammlungen in Metallen können die Lebensdauer von Maschinen oder Motoren erheblich beeinträchtigen. Es ist unerlässlich, die Korrosionsbeständigkeit von Fertigungsmaterialien zu untersuchen, bevor ein Motor gebaut wird.“ Likonen koordiniert die Forschung an den ersten Wandmaterialien des JET-Fusionsreaktors in England; hierfür sind auch TOF-SIMS-Analysen in Otaniemi erforderlich. Die Fusionsreaktoren werden mit Wasserstoff betrieben, und die Oberflächenmaterialien müssen extremer Hitze standhalten, obwohl das Wasserstoffplasma mithilfe von Magneten von den Materialien getrennt wird.

Die Ionenflugzeit enthüllt die genaue Zusammensetzung der Materialien.

Der Name des Geräts spiegelt direkt sein Funktionsprinzip wider. Das Akronym TOF steht für „Time-of-Flight“, SIMS für „Sekundärionen-Massenspektrometrie“.

„Das Gerät misst die Flugzeit jedes Ions im Vakuum. Anhand dieser Daten berechnet die Software die genaue Elementzusammensetzung basierend auf Masse und Ladung der Ionen“, erklärt Jari Likonen.

Highly accurate TOF-SIMS device helps in developing materials for extreme conditions – like hydrogen engines, drill bits or fusion reactors

VTT’s TOF-SIMS device is a new reinforcement to Finnish materials research. The device is capable of studying the surface composition and durability of solid materials, such as those used in hydrogen engines, semiconductors, and fusion reactors. Not only VTT researchers and partners, but also companies’ product developers, have access to this device.

VTT has obtained Finland’s first TOF-SIMS device for chemical surface analysis. This instrument is unique in materials research because it can analyse all the chemical elements present in a sample, including hydrogen.

“This instrument will provide us with crucial information on materials in key industrial product development areas in Finland. I consider it a national asset for Finland, and we will offer analysis services to companies as well,” says Jari Likonen, Principal Scientist at VTT.

He believes that the device will yield groundbreaking results. The significance of the instrument is evident from the fact that no other method besides TOF-SIMS analysis can provide three-dimensional and precise data on the elemental composition on the surface of a material sample or detect hydrogen in microstructures of metals.

“Basically, the sky’s the limit when it comes to application areas. The primary target group seems to be microelectronics, as researchers in that field have already submitted samples. We have also received samples from the metal industry for biocorrosion research. Other significant application areas include hydrogen technology, lithium-based batteries, electric vehicle chargers, fuel cells and fusion reactors,” explains Likonen.

Materials research at VTT continues its modernisation with a device investment worth over a million euros

The new device is the next step in modernising VTT’s materials research equipment to meet the highest standards in Europe and the Nordic countries. The previous similar procurement was a plasma FIB scanning electron microscope, which was put into use at the end of last year.

Expensive TOF-SIMS devices are rare, with only a few hundred of them worldwide. The German device purchased for VTT cost approximately EUR 1.3 million. The Academy of Finland funded about 52 % of the investment costs, with VTT covering the rest. The procurement was organised by the H2MIRI consortium of the Finnish Research Infrastructure Committee FIRI; the consortium includes not only VTT but also the universities of Oulu and Tampere.

“In addition to conducting analyses for the consortium members, we will also provide analyses as a service. A specialist is still needed to operate the instrument and analyse the results. VTT has a team of six people with the necessary user training,” says Jari Likonen.

Vastly useful for semiconductor, metal and hydrogen technologies

The usefulness of TOF-SIMS is evident in applications such as semiconductors and microelectronics. In these applications, it is crucial to precisely determine the depth distributions and quantities of different elements in material layers because they impacct electrical properties. Likonen says that this specific information cannot be accurately obtained using any other technique besides TOF-SIMS analysis.

Research on the coatings of metal products is also necessary as impurities can reduce lifetime of the components. For instance, drill bits will wear out quicker if the special coating designed to enhance durability does not adhere properly.

Green hydrogen production technology, which is of significant commercial interest in Finland, requires analyses because hydrogen can make materials brittle.

Likonen emphasizes, “Hydrogen buildup in metal can significantly impact the lifespan of machinery or engines. It is essential to study the corrosion resistance of manufacturing materials before producing an engine,” Likonen is coordinating research on the first wall materials of the JET fusion reactor located in England; which will also require TOF-SIMS analyses in Otaniemi. The fusion reactors are hydrogen-powered, and the surface materials must withstand extreme heat, even though the hydrogen plasma is separated from the materials using magnets.

Ion time-of-flight reveals the precise composition of materials

The name of the device directly reflects its operating principle. The acronym, TOF, stands for “Time-of-Flight”, while SIMS stands for “Secondary Ion Mass Spectrometry”.

“The device measures the time-of-flight of each ion in a vacuum. Using this data, the software calculates the exact elemental composition based on the mass and charge of the ions,” explains Jari Likonen.

PR: VTT Technical Research Centre of Finland Ltd

PB: Hochpräzises TOF-SIMS-Gerät unterstützt die Entwicklung von Materialien für extreme Bedingungen – wie Wasserstoffmotoren, Bohrkronen oder Fusionsreaktoren. / Photo source: Iontof/www.iontof.com