Informationen über unsere Forschung

Das wissenschaftliche Programm des Fachgebietes Materialanalytik kombiniert die Synthese, Modifizierung und Charakterisierung moderner Materialien, einschließlich der qualitativen, semiquantitativen und quantitativen Analytik der Elementzusammensetzung und Charakterisierung der chemischen Bindung in festen und flüssigen Proben.

Für Festkörper werden Messungen mit hoher räumlicher Auflösung mittels der Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA), Rutherford-Rückstreuung (RBS) und Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) durchgeführt. Letztere wird ebenfalls zur Untersuchung von Dünnschichtproben mit hoher Tiefenauflösung verwendet.

SIMS-Bild der lateralen Verteilung eines Fluor-haltigen Schmierstoffes (¹⁹F, rechts) auf einer oxidierten Metalloberfläche (¹⁶O, links)

Die durchschnittliche Zusammensetzung von Festkörpern wird mit der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) bestimmt, Lösungen von Materialien werden mit der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS), dem Induktiv gekoppelten Plasma-Emissionsspektrometer (ICP-OES) und Gaschromatographie, gekoppelt mit einem hochauflösenden Massenspektrometer (GC-MS), untersucht.

Die untersuchten Materialen umfassen Metalle, amorphe und kristalline Legierungen, Halbleiter und Keramiken, vorliegend als Cluster, Dünnschichten, Multilagen und Bulk-Materialien.

Derzeitige Forschungsthemen sind:

Speziation von Dünnschichten

In der Dünnschichttechnologie ist die Identifikation der chemischen Verbindungen, der Phasen und Bindungsverhältnisse von grundlegender Bedeutung. In Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin und Instituten in Novosibirsk/Rußland werden Dünnschichtproben von Borcarbonitriden und Siliciumcarbonitriden hergestellt und charakterisiert. Die Herstellungstechniken sind Plasmaunterstützte CVD und Sputtern (PVD). Die Zusammensetzung der Schichten wird mit SIMS gemessen; die Bindungszustände werden untersucht mit NEXAFS, teilweise unter Totalreflexion (TXRF) bzw. mit streifendem Einfall (GIXRF), XPS (in Zusammenarbeit mit Dr. A. Klein, Fachgebiet Oberflächenforschung) sowie TEM-EELS (in Zusammenarbeit mit Dr. R. Theissmann, Fachgebiet Strukturforschung). Die TXRF-NEXAFS-Experimente werden bei BESSY II durchgeführt.

In einem weiteren Projekt werden Dünnschichten (Nanoschichten) von Karbiden von Bor, Silicium, Titan und Tantal mittels Kohlenwasserstoff-Plasma-Immersions-Ionen-Implantation hergestellt, teilweise in Zusammenarbeit mit dem Nagasaki Institute of Technology. Die chemische Zusammensetzung der Schichten wird mit SIMS analysiert, die Phasen-Beschaffenheit mit XRD. Die Morphologie und Mikrostruktur der Oberfläche wird mit REM und AFM untersucht.

Kohlenstoff-Verteilung (ESMA) auf polykristallinem Kupfer

Korrosion

Phänomene der wässrigen Korrosion von Metallen, abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung, Phase und Struktur, werden untersucht mittels elektrochemischer und spurenanalytischer Methoden. Diese beinhalten Potential-Zeit und Strom-Potential (Polarisation, zyklische Voltammetrie) Messungen, Analyse des Elektrochemischen Rauschens (ENA) und Elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS). Immersionstests mit chemischer Analyse des gelösten Materials werden z.B. mit AAS und ICP-OES durchgeführt. Die untersuchten Materialien sind Aluminium-, Titan-, Magnesium- und Eisen-Legierungen.

 

Ein spezieller Punkt ist die Korrosion von Dünnschichten, die durch Plasma- und Ionenstrahlmethoden hergestellt wurden, wie z.B. diamantähnlicher amorpher Kohlenstoff, oder mittels Sol-Gel-Synthese in Kombination mit Spincoating, wie Zirkoniumoxid. Die Mikroporosität dieser Schichten beeinflußt das Schicht/Substrat Korrosionsverhalten. Die zugrunde liegenden Korrosionsmechanismen und die Korrelation von Herstellungsparametern und Korrosionsschutzfähigkeit werden untersucht.

Nanoporen, Nanodrähte und Nanoröhren

In Zusammenarbeit mit der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) werden Membranen oder Mikrofilter hergestellt durch Bestrahlung von Polymerfolien (Polycarbonat, Polyimide) und chemischem Ätzen der latenten Ionenspuren zu Poren. Diese Ionenspurenfilter (ITNF: ion track nanofilters, wenn Porendurchmesser <100 nm) können genutzt werden zur Filterung von Partikeln aus Flüssigkeiten, Sammlung von Aerosolen und zur Gasseparation sowie zur Analyse kleiner Moleküle und Molekülfragmente durch Translokation.

Gold-Nanodrähte, hergestellt durch Auffüllen von geätzten Ionenspuren

In einem weiteren Prozeßschritt werden die Nanoporen galvanisch gefüllt mit Metallen, z.B. Kupfer, Platin oder Gold, so daß Nanodrähte entstehen. Die Nanodrähte können durch Auflösen des Polymertemplates gewonnen werden. Die Dimensionen, Oberflächentopographie, Mikrostruktur und Kristallinität werden untersucht; zudem Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit und thermische Stabilität. Die Drähte zerfallen beim Erhitzen in eine Kette von Kugeln (Rayleighinstabilität); dieser Effekt wird eingehend untersucht.

Durch redoxchemische Verfahren können in den ionenspurgeätzten Polymermembranen polykristalline, metallische Nanoröhren abgeschieden werden. Diese Nanoröhren zeigen ungewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften wie etwa Plasmonresonanz oder ein gegenüber massiven Materialien gesteigertes Katalysepotenzial. Forschungsschwerpunkte sind die Beeinflussung morphologischer Parameter (Kristallstruktur, Röhrendimensionen), die Korrelation von Struktur und Eigenschaften sowie die Feinsteuerung und Nutzung derselben in Folgeexperimenten. Mögliche Einsatzgebiete liegen z.B. im Bereich der Katalyse, Stofftrennung oder Sensorik.

REM-Aufnahmen freistehender, nanokristalliner Gold-Röhren

Materialien in Strahlungsfeldern

In einer Reihe von Anwendungen, wie in Nuklearanlagen, Teilchenbeschleunigern und im Weltraum sind Materialien energetischer ionisierender Strahlung ausgesetzt. Diese Bestrahlung kann zu einer Degradation der Materialeigenschaften führen. Polymere sind besonders anfällig bezüglich ionisierender Bestrahlung. In Zusammenarbeit mit der GSI weden Polyimide und Polyepoxide, die Bestandteile der supraleitenden Strahlführungsmagnete sind, bestrahlt mit relativistischen schweren Ionen und hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert, wie der Netzwerkdegradation und elektrischen Leitfähigkeit. Ein weiteres Material ist polykristalliner Graphit, der als Target Wheel und Beam Dump eingesetzt wird.

Färbung von Polyimid-Folien, bestrahlt mit Mo-Ionen mit 1100 MeV und verschiedenen Fluenzen

Ionenstrahlanalytik

In Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgruppen und -instituten (GSI, Darmstadt, Institut für Kernphysik J.W. Goethe Universität, Frankfurt, Institut für Technische Physik, TU Graz, etc.) werden regelmäßig Ionenstrahlmethoden zur Modifikation und Analyse von Materialien eingesetzt. Dabei kommen Ionenstrahlen mit leichten und schweren Ionen in unterschiedlichen Energiebereichen (von 100 keV bis zu einigen GeV) zur Bestrahlung and gezielten Beeinflussung von Materialeigenschaften zum Einsatz. Durch den weiten Energiebereich ist es möglich, durch nuklearen und elektronischen Energieverlust induzierte Effekte zu untersuchen und zu vergleichen. Zusammensetzung, Schichtdicke und Diffusionseigenschaften werden mit verschiedenen Ionenstrahlmethoden untersucht, wie Rutherford Rückstreu Spektrometrie (RBS), Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) and Nuklearer Reaktions Analyse (NRA). Kristallqualität und epitaktisches Wachstum können durch Channelling-Experimente verifiziert werden. Die Defektstruktur wird ermittelt mit Positronen Annihilations Spektroskopie (PAS).

Zusammenarbeit

Die oben angeführten und eine Reihe weiterer Themen, z.B. aus der Halbleiter- und der Kernforschung, werden durchgeführt in Zusammenarbeit mit staatlichen Instituten sowie mit ausländischen Forschungszentren und Instituten, wie

• Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Berlin
• Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt
• Deutsches Kunststoff-Institut, Darmstadt
• National Inst. of Advanced Industrial Science and Technology, Osaka, Japan
• Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, England
• Centre Interdisciplinaire de Recherche Ions Lasers, Caen, France
• Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
• Institute of Inorganic Chemistry, Novosibirsk, Russia