Dem Wasserstoff auf der Spur

Mit Hilfe der Neutronenreflektometrie am MLZ analysierten Guasco und weitere Forschende vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, dem Forschungszentrum Jülich, Helmholtz Zentrum Berlin und dem Laboratorio Argentino de Haces de Neutrones in Argentinien, wie sich der Wasserstoff in dünnen Schichten verteilt. „Mit normaler Neutronenreflektometrie können wir Wasserstoffkonzentrationen von 5 % mit einer Tiefenauflösung von einem Nanometer zuverlässig messen“, erklärt Guasco. Bisher blieben Echtzeitexperimente wegen der langen Expositionszeiten auf langsame Prozesse in der Größenordnung von Minuten bis Stunden begrenzt. Doch die Neuronen in künstlichen Netzen reagieren nun mal eher in Bruchteilen von Sekunden.

Sekunden statt Stunden
In ihren Experimenten am MLZ-Neutronenreflektometer NREX haben die Forscherinnen und Forscher nun die Empfindlichkeit der Messungen für Echtzeit-Experimente in dünnen Filmen erheblich gesteigert. Sie untersuchten Niob-Schichten, während diese mit Wasserstoff beladen wurden. „Dabei verfolgten wir den Prozess der Wasserstoffbeladung zehn Mal empfindlicher als bisher. Und das auf einer Zeitskala von wenigen Sekunden statt wie bisher Stunden“, berichtet Guasco.

Vorteil der Neutronen gegenüber Röntgen
Zusätzlich liefern die Neutronen absolute Werte der Wasserstoffkonzentration – ganz im Gegensatz zu Röntgen, die den Hydrierungsprozess nur indirekt über seinen Einfluss auf die Schichtdicke sichtbar machen. Strahlenschäden im Material durch Neutronen sind vernachlässigbar, im Gegensatz zu nuklearen Methoden zum Wasserstoffnachweis, die Ionen mit hoher Energie benötigen. „Ein weiterer Vorteil der Neutronen: Die Forschenden können Untersuchungen in-situ in Wasserstoff-Atmosphäre durchführen, während andere Methoden oft ein Hochvakuum erfordern“, sagt Guasco und ist sich sicher: „Die resonante Neutronenreflektometrie hat mit ihrer hohen Empfindlichkeit und ihrer Fähigkeit, schnelle Bewegungsabläufe zu untersuchen, das Potenzial, sich zu einem leistungsstarken Werkzeug für das mikroskopische Verständnis und die Kontrolle von Wasserstoff in Festkörpern zu entwickeln.“ Und das wird zukünftig auch die Leistung neuronaler Netze steigern.