Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Aus zwei mach eins: 3D-NanoChemiscope, ein einzigartiges Analysegerät für Oberflächen

23.08.2013
Das 3D-NanoChemiscope ist ein Wunderwerk modernster Analysetechnik.

Als Weiterentwicklung bekannter Mikroskopie- und Massenspektroskopietechniken bildet es die physikalischen und chemischen Materialoberflächen bis zur atomaren Stufe ab.


Das Resultat einer kombinierten, dreidimensionalen ToF-SIMS-/SFM-Oberflächenanalyse einer PCBM/CyI-Polymermischung, die in der Empa-Abteilung «Funktionspolymere» zur Herstellung organischer Solarzellen verwendet wird. Empa

Das weltweit einzigartige Instrument liefert nicht nur gestochen scharfe Bilder; es weiß auch, was es «sieht».

Was haben ein Pinguin und die Oberfläche einer Solarzelle miteinander zu tun? Nicht viel, gibt Empa-Physikerin Laetitia Bernard zu. Doch hätte sie schmunzeln müssen, als sich bei der Bearbeitung des Abbilds einer Polymermischung, die für die Herstellung von neuartigen organischen Solarzellen benötigt wird, an einer bestimmten Stelle immer deutlicher die Umrisse eines Pinguins herausschälten. Ein kleines Detail in der komplexen Welt der Hochleistungsmikroskopie.

Das an der Empa entwickelte 3D-NanoChemiscope bildet Proben nicht nur nanometergenau ab, sondern kann auch erstmalig präzis Aufschluss darüber geben, welche chemischen Elemente sich in einer Probe wo angeordnet haben. Simultan und dreidimensional lassen sich damit mechanische Eigenschaften wie Härte, Elastizität oder Reibungskoeffizient, aber auch die chemischen Eigenschaften von Oberflächenstrukturen bestimmen.

Im Falle des «Pinguin»-Bildes heisst das: das 3D-NanoChemiscope erfasst nicht nur die Umrisse des «Pinguins», sondern deckt auch auf, welche Polymere sich auf seinem «Schnabel», auf seinem «Auge» und «um ihn herum» angesiedelt haben. Mithilfe dieser Analyse können die SolarzellenforscherInnen effizient die Mechanismen ihrer Materialien kontrollieren und entsprechend Zusammensetzung oder Konzentration ihrer Polymermischung ändern. So lassen sich neue Strukturen und somit auch andere Eigenschaften für die Solarzelle herbeiführen.

Rasterkraftmikroskop und High-End-Massenspektrometer

Möglich macht diese Analyse das 3D-NanoChemiscope, das zwei bisherig unabhängige Techniken vereint. Das Rasterkraftmikroskop (SFM, von engl. «scanning force microscope») rastert mit einer ultrafeinen Nadel die Oberfläche ab, das High-End-Massenspektrometer (ToF-SIMS, von engl. «time-of-flight secondary ion mass spectrometry») ermittelt, aus welchen Stoffen sich die oberste monomolekulare Schicht der Festkörperoberfläche zusammensetzt, indem Ionenstrahlen das Material «beschiessen».

Wollte man bis anhin Oberflächen sowohl auf chemische als auch auf physikalische Eigenschaften untersuchen, so musste die Probe in zwei verschiedenen Geräte analysiert werden. Doch durch das Hin- und Hertragen vom einen zum anderen Gerät lief man immer Gefahr, die Probe zu verschmutzen oder zu oxidieren. Ausserdem war es praktisch unmöglich, die im SFM untersuchte Stelle exakt wiederzufinden. Was lag also näher, als die beiden Geräte zu «vereinen»? Damit stiessen die Physikerinnen und Maschinenentwickler bis anhin an ihre Grenzen. In einem vierjährigen, von der EU geförderten Projekt entwickelte Projektleiterin Laetitia Bernard mit Empa-ForscherInnen und Partnern aus Akademie und Industrie in akribischer Arbeit ein neues Gerät, in dem ein SFM und ein ToF-SIMS in einer Ultrahochvakuumkammer möglichst nah nebeneinander angeordnet sind.

Die MikroskopexpertInnen rüsteten das 3D-NanoChemiscope dazu mit einem neuartigen, eigens entwickelten Transportsystem aus, das die Probe auf einer Schiene mit einer Beschichtung aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) mittels Piezomotor sanft hin- und herschiebt. Der Probenhalter kann Bewegungen auf fünf Achsen ausführen, sodass sich die zu untersuchende Stelle aus den unterschiedlichsten Positionen analysieren lässt.

Nach seiner Fertigstellung steht der Prototyp – ein Ungetüm aus glänzendem Aluminium, 1 Meter lang, 70 Zentimeter breit und an die 1 Meter 70 hoch – nun beim Projektpartner ION-TOF GmbH im deutschen Münster im Einsatz und wird von Industriekunden und Forschungspartnern genutzt. Der Bau weiterer Geräte steht an, Kunden zeigen sich sehr interessiert und sind bereit, Beträge im siebenstelligen Frankenbereich dafür zu bezahlen.

Weitere Informationen:
http://www.empa.ch/bilder/2013-08-22-MM-3D-NanoChemiscope - Bilderdownload

Martina Peter | EMPA
Weitere Informationen:
http://www.empa.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Ventile für winzige Teilchen
23.05.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Advanced Materials: Glas wie Kunststoff bearbeiten
18.05.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics