Advanced Analytical Technologies  
Luft und Partikelanalyse
Umwelt Massenspektrometrie
Instumentelle Analytik
Optische Mikroanalytik
Ultrakurzzeit-Spektroskopie

Group for Optical Microanalysis

The morphology of a surface, and interface or a particle is important for the functionality. Besides, the partitioning of elements laterally as well as depth-wise is a fingerprint of microscopic processes in the materials. We deploy characterization techniques, mostly based on the use of light sources, e.g. plasma. laser, etc., for the micro/nano-probing along with the morphological mapping of solid samples. A particularly challenging activity is that of microscopy in the extreme ultraviolet in the laboratory. The overall goal is to migrate to the own lab science cases that are now only possible at large scale facilities, e.g. synchrotron, through beamtime-limite access.

Contact

Dr. Claudio Cirelli, LA267,

Swiss Federal Laboratories for Materials & Technology (Empa)

Ueberlandsstrasse 129, CH-8600 Duebendorf

Switzerland

Phone: +41 58 765 6103,

E-mail: Claudio.cirelli@empa.ch

Main Projects

Wir sind auf die Erforschung archäometallurgischer Prozesse spezialisiert. Die Analyse aller am Prozess beteiligten Materialien erlaubt es, Aussagen zum Prozessverlauf, der Ausbeute und der Prozesstemperatur zu machen. Die chemische Charakterisierung des Rohmetalls macht es möglich, vom Rohstoff auf die Produkte zu schliessen.
Die gute Kenntnis historischer Metallproduktionsprozesse sowie der Metallkorrosion kann auch in ganz anderen Gebieten erfolgreich angewandt werden. So etwa bei Echtheitsabklärungen oder der Reproduktion historischer Metallsorten im Experiment und für die Fertigung von Nachbauten.

Dienstleistung: In der anorganischen analytischen Chemie sind wir auf nachweisstarke Elementanalytik von Kleinstproben mittels induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-OES, ICP-MS und LA-ICP-MS) von historischen und prähistorischen Metallen spezialisiert. Viel Erfahrung haben wir mit der Charakterisierung von Silber, Eisen-  und Kupferlegierungen. Je nach Fragestellung kommen weitere Methoden zum Zug (Computer-Tomographie, Metallographie, REM/EDX, WD-XRF, XRD etc).

Frühmittelalterliche Eisenmetallurgie: In den letzten Jahren lag ein Schwerpunkt in der Erforschung der frühmittelalterlichen Eisenmetallurgie im Schweizer zentralen Jura. An Hand von chemischen und metallographischen Untersuchungen an Schlacken und Eisenabfällen wurde festgestellt, dass der Eisenschwamm, das Produkt der Rennöfen, in den Schmieden direkt in Eisengegenstände umgearbeitet wurde, ohne Barren als Zwischenprodukt. Aus dem Eisengehalt und der Masse der Ausheiz- und Schmiedeschlacken sowie dem Zeitrahmen, während dem die Gehöfte in Develier-Courtételle JU bewohnt waren, liess sich ableiten, dass diese Schmiede im Frühmittelalter von supraregionaler Bedeutung war. Aus den metallischen Schmiedeabfällen wurde an Hand der chemischen Merkmale eine Eisensorte bestimmt, die auch in anderen Siedlungen im Jura im 7. Jh. verarbeitet wurde und die in diesem Distrikt vorherrscht. Metallographische und chemische Untersuchungen an Eisenfunden wie Messern und Werkzeugen gaben Aufschluss darüber, welche Gegenstände aus dieser Eisensorte hergestellt wurden und deshalb lokale Produkte sind (Kontakt: M. Senn, Partner: Office de la Culture, Section d’archéologie et paléontologie, Porrentruy JU).

Anschliff-Atlas: Im Projekt „MIFAC-metal“ zur gleichberechtigten Beschreibung von Metall und Korrosionsprodukten an archäologischen und historischen Proben wurden fast 30 Proben mit Schweizer Herkunft systematisch mit verschiedenen Methoden nachuntersucht (Metallographie, Elementverteilung  und Kristallstruktur in der Korrosionsschicht). So ist ein Atlas entstanden, der den Zeitraum Bronzezeit bis 20.Jh. AD abdeckt und Einblick in die Entwicklung und Korrosion von Kupfer- und Eisenlegierungen sowie von Aluminium und Zink gibt (Kontakt: M. Senn, Partner: Haute Ecole Arc he-arc, Conservation Restauration, Neuchâtel)

Optimization of the plasma active-medium for short-wavelength laser probes. Laser produced plasma as short-wavelength sources, i.e. lambda = 10-50 nm (Extreme Ultraviolet) or 0.1-10 nm (soft X-rays), are enabling for a number of cutting-edge investigations such as in materials, nano/bio-imaging/spectrometry, and molecular/atomic physics at high spatial resolution. In this project we optimize the plasma active medium for short-wavelengths lasing. The main difficulties while using a plasma column as amplification medium are (i) the short lifetime, (ii) the inhomogeneous electron density and temperature. The former is addressed optimizing the focusing of the pump pulse, also using a tilted pulsefront and a travelling-wave amplification. The latter requires that the plasma is confined like in our hohlraum target geometry. (Ph.D thesis of L. Masoudnia, funding: SNSF).

Table-top nano-imaging using a plasma- photon source. The use of short-wavelength illumination is crucial for the progress of the nano-imaging, since shorter wavelengths push down the diffraction limit. In particular, extreme ultraviolet (EUV) lithography is based on printing a mask which carries a template of the nano-circuit. Any defect of the mask is systematically repoduced. Therefore, mask screening at-wavelength (actinic mode) is essential. Aim of this project is enabling such progress on a table top system, using a Schwarzschild objective for XUV microscopy and metrology. This optical design permitted to correct aberrations up to the third order, as verified during a measurement campaign on the wavefront-(Ph.D. thesis of  M. Ruiz-Lopez, funding: SNSF)¨.

Morpho-chemical surface analysis using a plasma-driven driven short-wavelength photon source. The use of short-wavelength radiation, i.e. with high photon energy, is appealing for efficient photo-electron / photo-ion emission. Coincidence spectroscopy, with angle-resolved detection, is enabling insights into the electronic structure of solid samples. The setup will operate as a table-top system (Ph.D. thesis of  Y. Arbelo, funding: SNSF)

Phase-contrast imaging of weak shocks in fusion experiments. The future of energy is driven by the perspective of fusion. In inertial confinement, shocks are driven to favor the DT reaction of the fuel capsule. The diagnostics of the shock fine-structure (weak shocks) is important but challenging because of the poor contrast. Phase-contrast methods are developed to provide the required insights (Ph.D. thesis of  F. Barbato, funding: SBFI/COST).

  • Head of Group
    • Dr. C. Cirelli
  • Staff
    • A. Wichser
  • PhD Students
    • Y. Arbelo-Pena
    • F. Barbato
    • L. Masoudnia
    • M. Ruiz-Lopez

 

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