Das Beste zweier Welten
Kombination von Mikroskopie und Massenspektroskopie bildet Oberflächen bis zur atomaren Stufe ab.
Das an der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) entwickelte 3D-NanoChemiscope bildet Proben nicht nur nanometergenau ab, sondern kann auch 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.
Abb.: Das Resultat einer kombinierten, dreidimensionalen Oberflächenanalyse einer PCBM/CyI-Polymermischung, die zur Herstellung organischer Solarzellen verwendet wird. (Bild: EMPA)
Das 3D-NanoChemiscope erfasst nicht nur die Umrisse eines Bildes, sondern deckt auch auf, welche Polymere sich wo angesiedelt haben. Mithilfe dieser Analyse können die Solarzellenforscher am EMPA 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.
Das 3D-NanoChemiscope vereint zwei bisherig unabhängige Techniken. Das Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) rastert mit einer ultrafeinen Nadel die Oberfläche ab, das Massenspektrometer ermittelt, aus welchen Stoffen sich die oberste monomolekulare Schicht der Festkörperoberfläche zusammensetzt, indem Ionenstrahlen das Material beschiessen.
Wollte man bislang 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 Gefahr, die Probe zu verschmutzen oder zu oxidieren. Außerdem war es praktisch unmöglich, die im AFM untersuchte Stelle exakt wiederzufinden.
Abb.: Hans Josef Hug, links, Leiter der EMPA-Abteilung „Nanoscale Materials Science“, und Rudolf Möllers, rechts, Projektleiter beim Industriepartner ION-TOF, während der Systemintegration des 3D-NanoChemiscopes in Münster. (Bild: EMPA)
In einem vierjährigen, von der EU geförderten Projekt entwickelte Projektleiterin Laetitia Bernard mit Forscher des EMPA und Partnern aus Akademie und Industrie ein neues Gerät, in dem ein AFM und ein Time-of-Flight-Massenspektrometer in einer Ultrahochvakuumkammer möglichst nah nebeneinander angeordnet sind. Die Mikroskopexperten 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 1,70 Meter 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.
EMPA / PH
