Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

Zum Geleit4. Ausbildung von Nachwuchskräften inder Nanoanalytik (DiplomandInnen undDissertantInnen), Nanoanalytik-Seminare,spezielle Workshops und Lehrgänge.5. Kooperation mit anderen Nanotechnologie-Schwerpunktenim NANONET-Styria,mit österreichischen und internationalenNetzwerken.Das thematische Subnetzwerk NanoanalytikSteiermark mit all seinen Proponenten und Partnernlieferte substanzielle Beiträge zu den im vergangenenJahr initiierten, großen nationalen Verbundprojektender Österreichischen NANO Initiative(Programmlinie 1) und hatte wesentlichen Anteilan der enorm hohen Erfolgsquote insbesondereder unter der Leitung steirischer Institutionen stehendenVerbünde.Das vorliegende Handbuch der NanoanalytikSteiermark bildet nun einen weiteren, wesentlichenSchritt in Aufbau und Weiterentwicklung diesergesamtsteirischen Initiative und gliedert sich innachfolgende Bereiche:Die Einführung in die Nanoanalytik befasst sichmit den Grundzügen nanoanalytischer Fragestellungenund Verfahren und gibt einen kurzen Abrissüber Streumethoden und ortsaufgelöste Methodenin der Nanoanalytik. Der Abschnitt Methoden undInstrumentierung präsentiert neben in der Steiermarkverfügbaren nanoanalytischen Methodenund Techniken auch Nanoanalytikgeräte steirischerHerstellerfirmen sowie eine Auswahl an präparativenMethoden, die die Grundlage für zahlreichenanoanalytische Untersuchungsmethoden bilden.Dabei sind derzeit erst in Entwicklung befindlicheoder von den diversen Instituten, Institutionen undFirmen nicht als Sach- und Dienstleistung angeboteneMethoden, Techniken oder Geräte grundsätzlichnicht Bestandteil dieses Handbuches.Der Abschnitt Lösungen und Anwendungsbeispieleillustriert anhand einer Vielzahl von Beispielenkonkrete Problemlösungen für Unternehmen, aberauch Anwendungsbeispiele aus hochaktuellen, internationalheiß umkämpften, jedoch noch nichtzur Marktreife gelangten Technologiebereichenwerden vorgestellt. Daran schließt sich ein Abschnittüber sämtliche Institute, Institutionen undFirmen an, an denen die im Handbuch präsentiertenMethoden und Techniken verfügbar sind oder dieentsprechenden Nanoanalytikgeräte herstellen, wobeiinsbesondere die (organische) Einbettung von„Nano“ in die generellen Aktivitäten der jeweiligenInstitute, Institutionen und Firmen illustriert werden.Der Abschnitt Kontakte mit sämtlichen, für Interessentenrelevanten Koordinaten und ein ausführlicherSchlagwörter- und Autorenindex runden das Handbuchder Nanoanalytik Steiermark ab.Als Ausgangpunkt für die Erstellung des Handbucheswurde die „Nanodefinition“ des erfolgreichen,interdisziplinär ausgerichteten SchweizerTechnologieprogramms „TOP NANO 21“ 2 herangezogen,da diese – im Vergleich zu US-amerikanischen,britischen oder deutschen Nanodefinitionen– die umfassendste, aber auch weitausdifferenzierteste Definition des Begriffes „Nano“repräsentiert.Im Zuge der Schaffung eines Corporate Designfür die Nanoanalytik Steiermark wurde ein Logo kreiert,dem sich das Layout des vorliegenden Handbuchessowie die im Aufbau begriffene Webpagegestalterisch anschließen.2www.temas.ch/nano/nano_homepage.nsf/vwAllByKey/Definition%20NANO|deIIHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

Zum GeleitAbschließend sei explizit allen Fördergebernund insbesondere allen Beitragenden gedankt, dieals ausgewiesene Experten ihres Fachgebietes amZustandekommen dieses Handbuches wesentlichmitgewirkt haben und ohne deren Wissen undErfahrung dieses Handbuch nicht realisiert hättewerden können 3 .Das Handbuch der Nanoanalytik Steiermarkrichtet sich nicht zuletzt an den interessierten Nicht-Fachmann, soll aber auch dem Spezialisten eineumfassende Zusammenschau bieten, und lädt beidezum Schmökern und Gustieren ein. Dies solldurch die Vielfalt und Individualität der zahlreichenBeiträge gefördert werden, die die enorme Vielfaltder steirischen Nanoanalytik-Szene, insbesondereder daran beteiligten Personen und Institutionen,widerspiegeln.Möge dieses Buch das allgemeine Interesse fürNanoanalytik fördern, eine zahlreiche Leserschaftfinden und diese dazu „verführen“, den Kontaktzu den steirischen Nanoanalytikern zu suchenund / oder zu intensivieren.Werner RomTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschung,und Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazGraz, im Juli 2005Index Kontakte Institute Lösungen Methoden3Die Inhalte dieses Handbuches oder Teile davon dürfen ohne die Einwilligung der jeweiligen Autoren nicht kommerziell genutzt werden. Dienicht-kommerziellen Nutzung ist nur unter entsprechender Quellenangabe gestattet, wobei der betreffende Inhalt nicht verändert werden darf.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005III

NANONET-StyriaNANONET-Styria –Die steirische NanotechnologieinitiativeWeltweit werden intensive Anstrengungen unternommen,das Gebiet der Nanotechnologie zubesetzen und weiterzuentwickeln. Vor diesem Hintergrundwurde im Jahr 2001 NANONET-Styria alssteirische Kooperations- und Kommunikationsplattformgegründet, die sich zum Ziel gesetzt hat, dieKompetenzen und Konzepte der Nanowissenschaftenund Nanotechnologie in der Steiermark abzustimmen,zu bündeln und Projekte zu entwickelnund umzusetzen.Die Steiermark hat sich aufgrund ihrer wissenschaftlichenund wirtschaftlichen Struktur in ausgewähltenThemenbereichen der Nanotechnologienational und international ausgezeichnet positioniert.Voraussetzung dafür war die enge, langfristigeKooperation zwischen den wissenschaftlichen Einrichtungenund der Wirtschaft sowie die Unterstützungdurch die Öffentliche Hand. Damit wurde diethematisch fokussierte, gezielte Weiterentwicklungdes gesamten Wissenschafts- und Wirtschaftsbereichesnachhaltig ermöglicht.Die steirischen Aktivitäten werden mit anderennationalen und internationalen Initiativen abgestimmt.Besonders die vom Rat für Forschungund Technologieentwicklung unterstützte ÖsterreichischeNANO Initiative wurde und wird durchNANONET-Styria als aktivem regionalen Netzknotenmitgetragen.Inhaltlich werden in der Steiermark schwerpunktmäßigsechs Bereiche bearbeitet:NanocoatingNanopulverOrganische Opto-Elektronik und SensorikBionanotechnologieNanoanalytik undNanocomposites.Von besonderer Wichtigkeit für das Gelingendes Vorhabens ist die Unterstützung durch dieSteirische Landesregierung, die sich in zwei Grundsatzbeschlüsseneinstimmig zum Thema Nanotechnologiebekannt hat. Weiters wurde das Themaauch in der Forschungsstrategie Steiermark 2005plus verankert. Die damit verbundene Unterstützungvon F&E- und Infrastrukturprojekten sowie derbegleitenden Maßnahmen durch das Land Steiermarkist für die weitere Entwicklung im Bereich derNanotechnologie essentiell.An dieser Stelle sei allen Mitgliedern des Netzwerkes,den Landesstellen, dem Bundesministeriumfür Wirtschaft und Arbeit sowie allen Partnern,die durch ihr Wohlwollen und ihren Einsatz zumErreichen der Zielsetzungen beitragen, gedankt.Für das NANONET-Styria-ProjektteamMartha MühlburgerVizerektorin der Montanuniversität LeobenHelmut WiedenhoferJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHIVHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

Einführung in die NanoanalytikEinführung in dieNanoanalytikEinleitende BemerkungenIn einer zunehmenden Zahl von Industriespartenist die Kontrolle der strukturellen und funktionellenEigenschaften von neuen Materialien auf der Nanometer-Skalader Schlüssel für technologischenFortschritt und für die Öffnung neuer Märkte. Warenes zuerst Bereiche wie elektronische Bauelemente,Chemie und Photonik, erweitert sich das Feldnanostrukturierter Materialien immer stärker in Bereichewie Verbundmaterialien, pharmazeutischeProdukte (Drug Carrier und Pflegemittel) sowie Lebensmittel(Functional Food). Gemeinsames Merkmalaller dieser Anwendungen sind die besonderenStruktur-Funktionsbeziehungen solcher Nanomaterialien.Um diese verstehen zu können, sind vorallem Strukturuntersuchungsmethoden, aber auchWechselwirkungsstudien zwischen kleinsten Teilchenvon großer Bedeutung. Auf Grund der Kleinheitder Strukturen sind zum Teil aufwändige und komplexeAnalysenverfahren erforderlich, die außerdemje nach Fragestellung sehr unterschiedliche Technikenzum Einsatz bringen müssen. Um sowohl in derGrundlagenforschung als auch in der industriellenAnwendung auf internationalem Niveau mithalten zukönnen, ist ein umfangreiches Know-how auf demGebiet der Nanoanalytik unerlässlich. Es sei hierbetont, dass der Begriff Nanoanalytik ein vielschichtigerist: er umfasst u.a. die Analyse räumlicher undflächenhafter Strukturen im Nanometerbereich, dieErfassung der Wechselwirkung und Dynamik vonNanopartikeln, Elementanalysen mit Nanometerauflösungsowie die Verwendung nano-strukturierterSysteme für spezielle Analyseaufgaben.Nanoanalytische FragestellungenEs gibt derzeit kaum ein Gebiet der Materialforschung,in dem Nanoanalytik nicht von zentralerBedeutung wäre. Festkörper sind vermutlich daserste, was einem im Zusammenhang mit Materialienin den Sinn kommt. Bereits hier gibt es eineVielzahl von Erscheinungsformen und Charakterisierungsverfahren.In kristallinen Proben gibt essowohl im Inneren, der „Bulk-Phase“, als auch ander Oberfläche Nanostrukturen wie Versetzungen,Fehlstellen, Einschlüsse, Inselbildung etc. Vielesdavon wird in zunehmendem Maße zur Veränderungbzw. Verbesserung der Materialeigenschaftengezielt eingesetzt. Diese erfordert die Kontrolledes Prozesses, sein Verstehen und die Charakterisierungdes Endprodukts. Daraus ergibt sicheine Vielzahl benötigter Verfahren bzw. Methoden.Aber auch amorphe Festkörper und glasartige Materialennehmen immer mehr an Bedeutung zu. AlsGrundstoffe kommen dabei nicht nur anorganischeStoffe in Betracht, sondern in zunehmendem Maßeauch Polymere, bio-organische Rohstoffe undMischsysteme. Gele und komplexe fluide Systemehaben einen weiten Anwendungsbereich in derKeramikindustrie, der Erdölwirtschaft, in der pharmazeutischenIndustrie und im Bereich funktionellerLebensmittel. Aber auch im Gaszustand sind nanostrukturierteSysteme von Bedeutung: die Rußpartikel,die bei der Verbrennung entstehen – insbesondereim Kraftfahrzeug, wie z.B. Dieselruß –,sind Nanostrukturen und stellen durch ihre kleinenDimensionen (Feinstaub !) auch ein besonderesGesundheitsrisiko dar.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005V

Einführung in die NanoanalytikEine besondere Herausforderung stellen hierarchischstrukturierte Systeme dar. Dies sind Systeme,die z.B. im Größenbereich bis zu 100 nm selbstassemblierteStrukturen aus kleinsten Einheiten bilden,und die dann durch entsprechende Manipulationenbzw. durch Hinzufügung größerer Aufbaustoffe ineinem wesentlich größeren Maßstab stabilisiert werden.Typische Beispiele sind dafür Verbundwerkstoffe,aber auch Zellulosefasern und spezielle Wirkstoff-Transportsysteme (Liposomen, Vesikel). Wesentlichfür diesen Zweig der Forschung und Entwicklungist hier ein Methodenverbund, der es gestattet, dieSysteme auf den entsprechenden Längenskalenzu untersuchen. So ist es z.B. in fluiden Systemennotwendig, die Röntgen- und Neutronenstreuung mitder Laserlichtstreuung zu kombinieren.Eine weitere wichtige Unterscheidung betrifftauch die Frage, ob eine Substanz in ihrem ganzenVolumen („Bulk-Phase“) oder an einer dünnenOberflächen- oder Grenzschicht charakterisiertwerden muss. Beide Bereiche sind für sich wichtig,zusätzlich kommt aber auch noch der Aspekt insSpiel, dass dünne Grenzschichten oder Oberflächenschichtenaus einer fluiden Bulkphase abgeschiedenwerden und die Qualität bzw. Eigenschaftendieser Schichten stark vom Lösungszustand inder Bulkphase abhängen. Als weiteres Beispiel sindPhasenübergänge und kritische Phänomene zunennen, die oft bestimmt sind durch kurzreichweitigeWechselwirkungen zwischen den nanoskopischenBausteinen. Diese verhalten sich im Volumenanders als in niedrig-dimensionalen Strukturen (z.B.Magnetismus an Oberflächen, in ultradünnen Filmen,in magnetischen Nanokompositen).Die für die unterschiedlichen Aggregatzuständeund Einsatzgebiete bestgeeigneten Analysemethodensind klarerweise stark unterschiedlich. Dies istauch mit ein Grund, warum sich diese (unterschiedlichen)Methoden an vielen verschiedenen Forschungseinheitenoft getrennt entwickelt haben.Nanoanalytische VerfahrenAnalytische Verfahren können grundsätzlich inzwei Klassen eingeteilt werden: zum einen solchemit integraler Information, d.h. es werden Voluminabzw. Oberflächenbereiche untersucht, diewesentlich größer sind als die interessierendenGrundstrukturen, z.B. Nanoteilchen in einer Bulkphaseoder auf der Oberfläche. Vorteil ist die rascheInformationsgewinnung mit hoher statistischer Genauigkeit,z.B. über die Anordnung, Struktur oderGröße von Nanoteilchen gemittelt über ein großesEnsemble, man erhält aber keine Information überdie Einzelteilchen. Man weiß z.B. Bescheid überdie Verunreinigung einer relativ großen Halbleiteroberfläche,welche Fremdmoleküle in welcherKonzentration vorhanden sind, kann jedoch keineAngaben über deren Ort machen.Im Gegensatz zu den integralen Methoden könnenVerfahren mit Ortsauflösung eine Auskunft überdie räumliche Verteilung bzw. Orientierung, Strukturund Zusammensetzung geben, sie haben aber denNachteil, dass meist nur relative kleine Bereiche inakzeptabler Zeit untersucht werden können. Diesemikroskopischen Techniken ermöglichen dafür abereine vollständige Charakterisierung mit Nanometerauflösungund oftmals sogar mit Zehntel Nanometerauflösung.Während Rastersondentechnikendie obersten Atomlagen eines Festkörpers erfassenkönnen, gelingt es mit modernsten elektronenmikroskopischenVerfahren Information über dielokale Morphologie, Kristallstruktur, chemischeZusammensetzung, chemisches Bindungsverhaltenund physikalische Eigenschaften zu erhalten.Diese Methoden befinden sich derzeit in intensiverEntwicklung und erlauben die Erfassung lokalerPhänomene wie z.B. von inneren Grenzflächen,Defekten, Sekundärphasen in Festkörpern undderen Wechselwirkung mit der Festkörpermatrix,dem atomistischen Aufbau von einzelnen Nanoteilchen.Diese ortsaufgelöste Information kann mitVIHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

Einführung in die Nanoanalytikanderen nanoanalytischen Verfahren derzeit nichtin diesem breiten Umfang erbracht werden und invielen Fällen werden die mikroskopischen Verfahrenfür die Kalibrierung der integralen nanoanalytischenVerfahren benötigt.StreumethodenNano-analytische Verfahren können grundsätzlichin zwei Klassen eingeteilt werden: solche mit integralerInformation, d.h. es werden Volumina bzw.Oberflächenbereiche untersucht, die wesentlichgrößer sind als die interessierenden Grundstrukturen,z.B. Nanoteilchen in einer Bulkphase oderauf der Oberfläche. Streumethoden sind typischeVertreter dieser integralen MethodenIm Gegensatz zu den intergalen Methoden könnenVerfahren mit Ortsauflösung eine Auskunft überdie räumliche Verteilung bzw. Orientierung, Strukturund Zusammensetzung geben, sie haben aber denNachteil, dass meist nur relative kleine Bereiche inakzeptabler Zeit untersucht werden können. Diesemikroskopischen Techniken ermöglichen dafüraber eine vollständige Charakterisierung mit Nanometerauflösungund oftmals sogar mit ZehntelNanometerauflösung. Integrale und ortsaufgelösteMethoden ergänzen einander und ermöglichen gemeinsameine gute Charakterisierung vieler komplexerSysteme.Die Streumethoden umfassen im Wesentlichendie Röntgen- und die Neutronenstreuung sowiedie statische und die dynamische Lichtstreuung.Bei letzterer werden praktisch immer Laser alsLichtquellen verwendet. Es gibt aber auch – mitgeringerer praktischer Bedeutung – dynamischeNeutronen-, sowie seit kurzem auch dynamischeRöntgenstreuung.Statische Streumethoden (Röntgen, Neutronenund Licht) dienen ausschließlich zur Struktur- bzw.Größenbestimmung, dies umfasst Bestimmung vonPartikelgröße, Form und innerer Struktur sowie dieBestimmung von Überstrukturen in konzentriertenSystemen (Partikelwechselwirkung).Dynamische Streumethoden messen verschiedeneFormen der Dynamik in den untersuchten Systemen,so z.B. Diffusionsbewegungen (Translation undRotation), Schwingungen etc. Besonders die dynamischeLichtstreuung dient jedoch oft zur Bestimmungder Partikelgrößenverteilung über die gemesseneDiffusion in fluiden bzw. gelösten Systemen.Während mit beiden Formen der Lichtstreuungnur mehr oder weniger optisch klare Systemeuntersucht werden können, können mit der Röntgen-bzw. Neutronenstreuung auch undurchsichtigeMaterialien wie Beton, Metalle oder Kunststoffeuntersucht werden.In modernen, nanostrukturierten Materialienhängt die durch Self-Assembly geformte Struktursehr oft von der Konzentration im System ab,d.h. die Systeme müssen unverdünnt gemessenwerden. Dies ist eine große Herausforderung fürdie Messmethodik. Gerade hier wurden aber inden letzten Jahren – unter wesentlicher Mithilfesteirischer Forschungsgruppen – neuartige undrichtungsweisende Entwicklungen eingeleitetOtto GlatterKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für ChemieIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005VII

Einführung in die NanoanalytikOrtsaufgelöste MethodenMikroskopische Untersuchungsmethoden nehmenseit vielen Jahren einen festen Platz in Materialwissenschaften,Biologie und Medizin ein. Verstärktdurch den rasch fortschreitenden Trend zurMiniaturisierung von Werkstoffen, Bauelementenund Biomaterialien erfolgte eine stürmische Weiterentwicklungder abbildenden mikroskopischenUntersuchungsmethoden. Nicht zu Unrecht wirddabei an erster Stelle die immense Steigerung derAuflösung gesehen. Ausgehend von einstmals 100Nanometern ist man jetzt bei Objekteinzelheiten vonweniger als 0,1 Nanometer (1 Ångström) angelangt,die in mikroskopischen Bildern aufgelöst werdenkönnen. Damit ist man in den atomaren Bereich desMaterieaufbaus vorgedrungen. Gleichzeitig wuchsaber auch die Schwierigkeit der Bilddeutung und-auswertung, die nur mittels sehr spezieller Kenntnisseder Wechselwirkung von Licht, Elektronenund Atomen mit der Probe sinnhaft durchgeführtwerden kann.Ortsauflösende Analysenmethoden sind dadurchgekennzeichnet, dass Atome, Elektronenoder elektromagnetische Strahlung in gebündelterForm auf die Probe gerichtet und die dabei entstehendenSekundärsignale analysiert werden, oderdass ein Objekt durch „Abtasten“ mit einer extremfeinen Spitze abgebildet wird.In der ersten Gruppe spielt die Elektronenmikroskopieeine zentrale Rolle, dies nicht nur aufgrundder Auflösung, die bis in atomare Dimensionenreichen kann, sondern auch weil die Bildinformationdirekt mit der Kristallstruktur, physikalischen Eigenschaftenund der chemischen Zusammensetzungverknüpft werden kann. Rasterelektronenmikroskopieund Transmissionselektronenmikroskopiesind bereits etablierte Methoden der Mikro- undNanoanalytik, die durch einige wesentliche Innovationenan die Grenzen der lateralen Auflösung undder Energieauflösung vorangetrieben werden.Oberflächenphysikalische Charakterisierungsmethodenwie Sekundärionenmassenspektrometrie,Auger- und Photoelektronen-Spektroskopiesowie Elektronenbeugung liefern exzellente Tiefenauflösungund werden z.B. für das Studiumder Wechselwirkung von organischen und anorganischenMolekülen mit metallischen Struktureneingesetzt. Für oberflächenphysikalische Untersuchungenmit lateraler Auflösung wird die analytischeFeldionenmikroskopie für die Nachweis vonEinzelatomen in Werkstoffen verwendet, und mitHilfe der Raster-Helium-Atom-Mikroskopie könnenorganische Oberflächen charakterisiert werden.Die relativ neuen Verfahren Infrarot- und Raman-Mikroskopie werden in steigendem Umfang fürdie Charakterisierung von organischen Materialien,Polymeren und Biomaterialien mit einer lateralenAuflösung von einigen Mikrometern genutzt.VIIIHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

Einführung in die NanoanalytikIn den letzten Jahren erreichten vor allem dieRastersondenmethoden wie Rasterkraftmikroskopieund Rastertunnelmikroskopie eine weite Verbreitung.Dies ist einerseits auf neue Entwicklungenin der Instrumentierung, andererseits auf dieexzellente laterale Auflösung zurückzuführen. DieRastersondenmethoden erlauben es in sehr aussagekräftigerWeise die Bildinformation mit denlokalen physikalischen Eigenschaften (Leitfähigkeit,Magnetismus, Wärmeleitung etc.) von Materialoberflächenzu verknüpfen.Charakterisierungsmethoden, die auf Synchrotronstrahlungbasieren, stellen eine wichtige Brückezwischen der integralen und der ortsaufgelöstenNanoanalytik dar, denn in letzter Zeit werden diebisher eher für integrale Analysen eingesetztenSynchrotronmethoden (z.B. Photoelektronenspektroskopie,Röntgenabsorptionsspektroskopie, Röntgenmikroskopie)verstärkt in Richtung verbesserterOrtsauflösung weiterentwickelt.In jedem Fall ermöglicht erst die geeigneteKombination integraler und ortsaufgelöster nanoanalytischerMethoden eine umfassende Charakterisierungvon Werkstoffen, Bauelementen, biologischenund medizinischen Proben und damit dieEntwicklung und Kontrolle der Eigenschaften vonmodernen Materialien.Ferdinand HoferTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005IX

XHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InhaltsverzeichnisMethoden und Instrumentierung 1Lösungen und AnwendungsbeispieleInstitute, Institutionen und Firmen 1KontakteIndex Kontakte Institutionen Lösungen MethodenSchlagwörter- und Autorenindex1siehe Beitrag „Zum Geleit“, Fußnote 1 (Anmerkung)Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005XI

XIIHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InhaltsverzeichnisMethoden und Instrumentierung 1M1: 3D-Atomsonde (Analytische Feldionenmikroskopie, 3D APFIM) 3M2: Analytische Elektronenmikroskopie (AEM) 5M3: Auger-Elektronenspektroskopie (AES),Raster-Auger-Mikroskopie (SAM), Auger-Tiefenprofilanalyse (DPA) 7M4: Dynamische Lichtstreuung (DLS) 10M5: Elektrochemische Methoden 12M6: Elektrolytische Präparation für die Transmissionselektronenmikroskopie 14M7: Elektronenbeugung an Oberflächen (LEED) 16M8: Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) 18M9: Ellipsometrie 21M10: Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS)im Transmissionselektronenmikroskop 25M11: Energiefilterungs-Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM) 28M12: EPR-Spektroskopie (ESR-Spektroskopie) 31M13: Focused Ion Beam (FIB) 34M14: HECUS System-3 – Das Röntgenkleinwinkel- und -weitwinkelsystem 37M15: Hoch-/ Tieftemperatur-Pulverdiffraktion (HT-XRD, LT-XRD) 39M16: Hochauflösende SQUID-Magnetometrie 42M17: Hochauflösungs-TEM (HR-TEM) und Elektronenbeugung (SAED, CBED)– Strukturaufklärung im Transmissionselektronenmikroskop 44M18: Hochverformung – Nanokristallisierung 47M19: Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (C-AFM) 50M20: Nanoindentierung 53M21: Negativkontrastierung 55M22: NMR-CIDNP 57M23: Oberflächenenergie von Beschichtungen 59M24: Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM) 61M25: Positronenannihilation 63Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005XIII

InhaltsverzeichnisM26: Präparationstechniken in der Elektronenmikroskopie (REM und TEM) 65M27: Rasterelektronenmikroskopie (REM/SEM) 71M28: Rasterkraftmikroskopie (AFM) 73M29: Rasterkraftmikroskopie (AFM) – Phase Imaging 75M30: Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) 79M31: Rastertunnelmikroskopie (RTM/STM) 82M32: Röntgen- und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (XPS und UPS) 84M33: Röntgenbeugung – Linienprofilanalyse (XRD LPA) 86M34: Röntgenbeugung – Polfigurtechnik (XRD-PF) 88M35: Röntgenkleinwinkel- und -weitwinkelstreuung (SAXS und WAXS) 90M36: Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) 94M37: Röntgenreflektivität (XRR) 97M38: SAXSess – Das Instrument für Nanomaterialien 100M39: Schwingungsspektroskopie (IR und Raman) 102M40: Synchrotronstrahlung 104M41: Thermische Desorptionsspektroskopie (TDS) 105M42: Thermo-mechanische Charakterisierung dünner Schichten 107M43: Tribologische Untersuchungen 109M44: Ultramikrotomie 112M45: Zeta-Potenzial-Messung 117Lösungen und Anwendungsbeispiele 121L1: AES-Querschnitts-Analyse von Ni-Nanodrähten 123L2: AFM-Untersuchungen zum Schichtwachstum von polykristallinenPentazen-Dünnschichten 125L3: Anwendungen der Positronenannihilation – Grenzflächen,Leerstellen und freie Volumina 129L4: Ausscheidungscharakterisierung von Stählen mittels EFTEM 132L5: Bestimmung der Ge-Konzentration von SiGe-Legierungenmittels Ellipsometrie 135XIVHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InhaltsverzeichnisL6: Bewertung von magnetischen Pigmentschichten auf PET-Folienmittels SQUID-Magnetometrie 137L7: Charakterisierung von Ausscheidungen in Schnellarbeitsstählenmittels Röntgen-Kleinwinkelstreuung (SAXS ) 138L8: Chemische Zusammensetzung einer ultradünnenFulleren-Schicht (C 60) – XPS-Untersuchungen 141L9: Der Effekt aromatischer Quellungsagenzien auf innere Oberfläche undPorengröße in mesoporösen Silikaten – Untersuchungen mittels SAXS 142L10: Device Modification mittels Focused Ion Beam (FIB) 145L11: Eigenspannungs-Charakterisierungen mittels Röntgendiffraktometrie 147L12: Elektrokinetische Messungen (Zeta-Potenzial) zur Charakterisierungvon Nanostrukturen 150L13: Epitaktisches Wachstum von organischen Schichten auf einerGoldeinkristalloberfläche – Untersuchungen mittels LEED 153L14: EPR: Wie kommunizieren Elektronenlücken in leitenden Polymeren ? 155L15: EPR-Untersuchungen von Photoinitiatoren für die Härtung von Lacken 157L16: Fehleranalyse von Piezokeramiken mittels XPS 160L17: Fokussierte Ionenstrahl-Technik (FIB) in der Mikro- und Nanomechanik 162L18: Haftfestigkeitsprüfung von dünnen Schichten mittels Scratch-Test 164L19: Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (HT-XRD) –Strukturelle Untersuchungen im Nanobereich 166L20: Identifizierung organischer Verbindungen mittelsSchwingungsspektroskopie (FTIR und Raman) 169L21: Hochtemperatur-Röntgendiffraktion – Spannungen undDeformationen in dünnen Aluminium-Schichten auf Silizium 170L22: Li-Ionen-Batterien und alkalische Brennstoffzellen –Untersuchungen im Rasterelektronenmikroskop 173L23: Magnetische Eigenschaften nanokristalliner Werkstoffe hergestelltdurch Hochverformung – Untersuchungen mittels SQUID-Magnetometrie 176L24: Mechanismus der Wirkstofffreisetzung aus einem nanopartikulärenDrug-Carrier – Untersuchungen mittels SAXS und WAXS 178L25: Metallische Schichten auf Glaskeramiken – Untersuchungen mittels AES 180Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005XV

InhaltsverzeichnisL26: Morphologie-Analyse selbstorganisierter Halbleiter-Nanostrukturenmittels AFM 182L27: Nanoindentierungsversuche an W/Cu-Mikro- undNano-Verbundwerkstoffen 184L28: Ortsaufgelöste Röntgenstreuungsuntersuchung vor Rissspitzen inPE-Rohrwerkstoffen 186L29: Präparationstechniken in der Elektronenmikroskopie (REM und TEM) –Anwendungsbeispiele 188L30: Probenpräparation mittels Zweistrahl-FIB/REM 191L31: Raman-Spektroskopie in der Werkzeugbeschichtung –Charakterisierung von Nanoschichten und Überwachungvon Vakuumbeschichtungsprozessen 194L32: Rastertunnelmikroskopie an modernen Werkzeugstählen 196L33: Röntgenkleinwinkelstreuung – Untersuchungen an Zelluloseund Füllstoffen 197L34: Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) mittels FIB 199L35: Synchrotronstrahlung in der industriellen Forschung –Vom Zement bis zur Schokolade 201L36: Nanostruktur von nichtstöchiometrischen Perowskiten –Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie 205L37: Tiefenprofilanalyse eines Polymer-LED-Bauelementes mittels AES 208L38: Ultradünne organische Schicht auf Gold – Untersuchungen mittels TDS 210L39: Untersuchung eines Defektes in einem Halbleiterbauelement mitTEM, EFTEM und EELS 211L40: Untersuchung moderner Legierungswerkstoffe mittels 3D-Atomsonde 214L41: Untersuchung von Reaktionswellenfronten auf Oberflächen und desWachstums von Filmen organischer Halbleiter mittels PEEM 215L42: Wasserstoffdesorption von Vanadiumoberflächen –Untersuchungen mittels TDS 217L43: XPS-Untersuchungen an Titanoxid-Schichten 218Institute, Institutionen und Firmen 221I1: Anton Paar GmbH 223XVIHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InhaltsverzeichnisI2: Die österreichische SAXS-Station am Synchrotron ELETTRA in Triest,Institut für Biophysik und Röntgenstrukturforschung (IBR),Österreichische Akademie der Wissenschaften 225I3: Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI),Österreichische Akademie der Wissenschaften 227I4: Forschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschung, Technische Universität Graz undZentrum für Elektronenmikroskopie Graz (FELMI-ZFE) 230I5: HECUS XRS GmbH 233I6: Institut für Chemie (IfC), Karl-Franzens-Universität Graz 235I7: Institut für Chemische Prozessentwicklung und -kontrolle,JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH 237I8: Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Graz 240I9: Institut für Materialphysik, Technische Universität Graz 243I10: Institut für Nanostrukturierte Materialien und Photonik,JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH 245I11: Institut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Karl-Franzens-Universität Graz 248I12: Institut für Physik, Montanuniversität Leoben 252I13: Institut für Physikalische und Theoretische Chemie,Technische Universität Graz 254I14: Laserzentrum Leoben (LZL),JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH 257I15: Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL) 260Kontakte 263Schlagwörter- und Autorenindex 277Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005XVII

Methoden undInstrumentierungHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005M

MethodenM1: 3D-Atomsonde (3D APFIM)M1: 3D-Atomsonde(Analytische Feldionenmikroskopie,3D APFIM)FunktionsprinzipDas wichtigste Funktionselement einer 3D-Atomsonde (3D APFIM, 3D Atom Probe Field IonMicroscopy) ist die Probe selbst, die als feine nadelförmigeSpitze mit einem Endradius von 20 – 50nm vorliegen muss. Die Probenspitze befindet sichauf tiefer Temperatur (< 100 K) in einer Ultrahochvakuumkammerund ist vor einem ortsauflösendenNachweissystem, welches auch noch einzelneIonen erfassen kann, positioniert (s. Abb. 1).Durch Anlegen einer positiven Hochspannung undÜberlagerung eines Hochspannungsimpulses vonNanosekunden-Dauer wird an der Spitze ein hoheselektrisches Feld erzeugt. Dadurch könnengezielt einzelne Atome als Ionen von der Oberflächeabgelöst werden. Die Ionen werden nahezuradial von der Spitzenoberfläche emittiert, damitwirkt das Instrument als Projektionsmikroskopmit praktisch millionenfacher Vergrößerung. DerAuftreffpunkt eines Ions auf dem ortsauflösendenDetektor kann direkt der ursprünglichen Positiondes Atoms auf der Probenoberfläche zugeordnetwerden, die Flugzeit als Funktion der Masse ergibtdie chemische Natur des abgelösten Atoms. Löstman ein Atom nach dem anderen ab erhält mandie Verteilung der chemischen Elemente an derOberfläche mit nahezu atomarer Auflösung. Nachweiterer Ablösung von einer Atomlage nach der anderenerhält man die chemische Information in dieTiefe. Der gemessene Datensatz erlaubt eine volleräumliche Rekonstruktion der Elementverteilungdes untersuchten Materials auf atomarem Maßstab.Die chemische Zusammensetzung kann hierquantitativ korrekt durch Zählen der gemessenenIonen ermittelt werden. Befüllt man die evakuierteMikroskopkammer mit Edelgas geringen Druckes,dann wird im elektrischen Feld an der Oberflächedas Gas ionisiert und man erhält als Projektion derIonen ein atomar aufgelöstes Abbild der Oberfläche(Feldionenmikroskopische Abbildung) und damiteine zusätzliche topografische Information.Der typische Analysenbereich umfasst zylindrischeVolumina von 10 – 50 nm im Durchmesserund bis 200 nm in die Tiefe. Die laterale Auflösungbeträgt etwa 0,3 – 0,5 nm. Die Tiefenauflösung resultiertaus dem Atomlagenabstand des Materialsvon 0,15 – 0,2 nm.Abbildung 1: Funktionsprinzip der 3D-Atomsonde .Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 20053

M1: 3D-Atomsonde (3D APFIM)Notwendige ProbenformFür die 3D-Atomsonde müssen die zu untersuchendenProben in Form feiner nadelförmigerSpitzen vorliegen, die jedoch relativ einfach durchDiamantsägen und Elektropolieren herzustellensind. Es können dann alle elektrisch leitenden undhalbleitenden Materialien untersucht werden.Methoden: —Lösungen:L32 | L40Manfred LeischTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikInstitute:Kontakte:I8K273D APFIM | 3D-Atomsonde | Analytische Feldionenmikroskopie | Elementverteilung4Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM2: Analytische Elektronenmikroskopie (AEM)M2: AnalytischeElektronenmikroskopie (AEM)Die Analyse der Struktur und der chemischenZusammensetzung nanometergroßer Bereiche vonFestkörpern ist Aufgabe der analytischen Transmissionselektronenmikroskopie(TEM, AEM). Abb. 1zeigt ein solches AEM im Querschnitt. Die von einerKathode ausgehenden Elektronen (thermisch bzw.mittels Feldemission) werden auf bis zu 200 keVbeschleunigt und durch ein Kondensorlinsensystemauf die Präparatebene fokussiert, wobei Probendickenbis zu einigen 100 nm durchstrahlt werdenkönnen. In weiterer Folge erzeugt eine Objektivlinseein geringfügig vergrößertes Zwischenbild,das von den nachfolgenden Linsen (Beugungs-,Zwischen- und Projektivlinsen) weitervergrößertwird und anschließend am Leuchtschirm betrachtetoder digital verarbeitet werden kann. Alternativ kannauch das in der hinteren Brennebene des Objektivsliegende Beugungsbild des Präparates abgebildetwerden. Die als Hochauflösungselektronenmikroskopie(HR-TEM) bezeichnete Methode ermöglichtdie atomare Abbildung von Probendetails (Gitterabbildung,Defekte) und mittels Elektronenbeugung(ED) kann die vorliegende Kristallstruktur mit hoherlateraler Auflösung ermittelt werden.Während zur Bildentstehung im TEM hauptsächlichdie elastisch gestreuten Elektronen beitragen,so sind für die analytischen Methoden im TEM dieinelastischen Wechselwirkungsprozesse zwischeneinfallenden Primärelektronen und der Probe wichtig(s. Abb. 2). Diese Wechselwirkungsprozessekönnen entweder direkt über die Messung desEnergieverlustes des Primärelektrons (Elektronenenergieverlustspektroskopie,EELS), oder als Sekundärprozessdurch den Übergang des ionisiertenAtoms in seinen Grundzustand (energiedispersiveIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Querschnitt durch ein analytischesTransmissionselektronenmikroskop(AEM).Abbildung 2:Wechselwirkungsschema hochenergetischerPrimärelektronen eines AEMsmit einem elektronentransparentenFestkörper.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 20055

M2: Analytische Elektronenmikroskopie (AEM)Röntgenspektroskopie, EDXS) beobachtet undzum ortsaufgelösten qualitativen und quantitativenNachweis von nahezu allen chemischen Elementenverwendet werden. Eine genaue Analyse desElektronenspektrums ermöglicht überdies Aussagenzur elektronischen Struktur eines Festkörpers,aus denen Bindungsinformationen und optischeParameter abgeleitet werden können. Aufbauendauf EELS können durch Auswahl ganz bestimmterinelastischer Wechselwirkungen energiegefilterteAbbildungen mit Nanometerauflösung erhaltenwerden, eine Technik, die mit dem Kürzel EFTEM(Energiefilterungs-TEM) bezeichnet wird. Eine zusätzlicheMöglichkeit bietet die Rastertransmissionselektronenmikroskopie(Scanning TEM, STEM)in Kombination mit EELS und EDXS, wo mit Hilfeeines feingebündelten Elektronenstrahles strukturelleund chemische Informationen aus bis zu ~0,2nm kleinen Bereichen gewonnen werden können.Typische SpezifikationenTab. 1 zeigt typische Kenndaten im Bereich deranalytischen Elektronenmikroskopie.Punktauflösung (nm) 0,24Linienauflösung (nm) 0,10Informations Limit (nm) 0,15HR STEM Auflösung (nm) 0,20Elektronenbeugung (nm) 1– 500EFTEM Auflösung (nm)

MethodenM3: Auger-Elektronenspektroskopie(AES), Raster-Auger-Mikroskopie (SAM),Auger-Tiefenprofilanalyse(DPA)M3: Auger-Elektronenspektroskopie (AES)Die Grundlage der Auger-Elektronenspektroskopie(AES) ist der Auger-Prozess (Abb. 1): Wird einAtom in einem tiefliegenden Energieniveau mit derBindungsenergie E₁ (z.B. K- oder L-Schale) ionisiert,so wird das erzeugte „Loch“ durch ein Elektron auseinem höheren Energieniveau (Bindungsenergie E₂)wieder aufgefüllt. Die dabei freiwerdende Energiekann strahlungslos auf ein Elektron eines höherenEnergieniveaus (z.B. Bindungsenergie E₃) übertragenwerden, das dann als sogenanntes Auger-Elektrondas Atom verlässt. Die kinetische Energie desAuger-Elektrons beträgt also näherungsweise:E Auger = E₁ - E₂ - E₃Weil die Energien E₁, E₂ und E₃ charakteristischfür das angeregte Atom sind, kann durchVermessen der kinetischen Energie E Auger der Auger-Elektronen die Atomart ermittelt werden. Auf dieseWeise erhält man Informationen über die chemischeZusammensetzung von Festkörperoberflächen.Da die charakteristischen Auger-Elektronen nuraus einer sehr dünnen Oberflächenschicht ohneEnergieverlust austreten können (wenige Atomlagen),ist die AES ein sehr oberflächensensitivesAnalyseverfahren. Für die Anregung der Auger-Elektronen werden hochenergetische (einige keV)Elektronen oder Röntgenstrahlen benutzt. Detektiertman die von einer Oberfläche durch Elektronen-oder Röntgenanregung emittierten Elektronen Abbildung 1:Schematische Darstellung der Auger-Elektronen-Emission.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 20057

M3: Auger-Elektronenspektroskopie (AES)energieaufgelöst, beobachtet man ein Spektrum,das schematisch in Abb. 2a dargestellt ist. Die Auger-Elektronenwerden dabei als kleine Peaks aufeinem intensiven Untergrund beobachtet, der vonden sogenannten „wahren“ Sekundärelektronenherrührt. Um die Detektierbarkeit der Auger-Elektronenzu verbessern, wird deshalb i. A. die differentielleDarstellungsweise gewählt, die in Abb. 2bveranschaulicht ist.Es können alle Elemente von Li bis U nachgewiesenwerden, des Weiteren ist die Unterscheidungvon chemisch verschieden gebundenen Zuständeneines Elementes möglich. Mit Hilfe von Standardprobenkönnen der Elementgehalt oder auch derGehalt von bestimmten Verbindungen an einerOberfläche quantifiziert werden. Die Nachweisgrenzenliegen im Bereich ≥ 0,1 Atomprozent.Bei Verwendung eines fein fokussierten Elektronenstrahlsals Sonde (Durchmesser von 1 µm bis 10nm) kann durch Rastern über einen ausgewähltenProbenbereich und Detektion der resultierendenAuger-Elektronen ein Elementverteilungsbild derProbenoberfläche mit einer Ortsauflösung von etwa20 nm erstellt werden („chemische Landkarte“). Umein Elementverteilungsbild zu erhalten, wird derElektronen-Analysator auf eine Energie eingestellt,die einer dem interessierenden Element spezifischenAuger-Elektronenenergie entspricht. DieseMethode wird Raster-Auger-Mikroskopie (ScanningAuger Microscopy, SAM) genannt. Es ist zweckmäßig,SAM mit der Rasterelektronenmikroskopie(Scanning Electron Microscopy, SEM) zu kombinieren,die auf der Detektion von Sekundär-Elektronenberuht: mittels SEM können die Topographie derProbe untersucht und interessante Probenbereicheselektiert werden, für die dann eine chemischeAnalyse mit SAM erstellt wird.Wird die Probenoberfläche abwechselnd durcheinen fein fokussierten Ionenstrahl schrittweise abgetragen(„Ionenätzen“) und an derselben Stellemit Auger-Elektronenspektroskopie untersucht, sokann man Tiefenprofile der Elementverteilung ineiner Probe (z.B. einer dünnen Schicht) bekommen.Aus praktischen Gründen werden Tiefenprofile typischerweisebis maximal einige µm Tiefe erstellt.Dabei ist darauf zu achten, dass die vom Ionenstrahlabgetragene Fläche größer sein muss als die vomuntersuchenden Elektronenstrahl (Abb. 3). DiesesVerfahren ist als Auger-Tiefenprofilanalyse (DepthProfile Analysis, DPA) bekannt.Abbildung 2:(a) Energieverteilung der Elektronen, die von einer mit einem Elektronenstrahl bestrahlten Oberflächeemittiert werden. (b) Verdeutlichung der differentiellen Darstellungsweise.8Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM4: Dynamische Lichtstreuung (DLS)M4: DynamischeLichtstreuung (DLS)Die dynamische Lichtstreuung (DLS) erlaubt dieBestimmung der Dynamik nanostrukturierter Systeme.Die wichtigste Messgröße in der Praxis ist dieDiffusionskonstante, aus der die Teilchengröße alshydrodynamischer Radius berechnet werden kann.Eine Bestimmung der Form oder inneren Struktur istmit dieser Methode jedoch nicht möglich.Wichtig ist, dass die Messzeiten kurz sind– typischerweise einige Minuten – und dass manrasch eine mittlere Größe und den Grad der Polydispersitätbestimmen kann. Mit aufwändigererMethodik („Inverse Laplace Transformation“) kanndann auch die Größenverteilung berechnet werden,d.h. man erhält die Information, wie viel Masse oderVolumen in unterschiedlichen Größenbereichen derProbe vorhanden sind.Der Einsatzbereich der DLS reicht von ca. 1 nmbis zu mehreren tausend Nanometern. Damit siehtman also nicht nur Nanopartikel im typischen Bereichbis zu 100 nm, sondern sieht auch allfälligeVerunreinigungen durch große Teilchen. Andererseitskann dies auch beim Studium hierarchischstrukturierter Systeme wichtig sein, die in ihremInneren Strukturen im Bereich einiger Nanometerhaben, deren Gesamtgröße jedoch weit darüberliegt.D(r) [a.u.]Abbildung 1:Größenverteilung in Wolframkarbid-Pulvernin wässriger Lösung, bestimmt mitDLS.a.u. … arbitrary units, d.h. beliebigeEinheiten.10Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M4: Dynamische Lichtstreuung (DLS)Partikelgrößenbestimmung inNanopulvernDies ist ein wichtiges Beispiel für die industrielleAnwendung dieser Methode. Bei der Herstellungvon Pulvern unterschiedlichster Materialien hängtdie Größenverteilung von verschiedenen Produktionsparameternab. Um diese zu optimieren, ist eserforderlich, die Pulver entsprechend zu charakterisieren.Dazu werden diese in kolloidale Lösunggebracht – üblicherweise in wässrige Lösung, eskönnen aber auch organische Lösungsmittel verwendetwerden – und dann mit DLS untersucht.Man misst dabei die zeitlich fluktuierende Streuintensität.Daraus wird dann die Zeit-Korrelationsfunktionberechnet, die die Bestimmung der Diffusionskonstanteund damit der Größe gestattet.Das Endresultat ist die Größenverteilung in derProbe (s. Abb. 1).Methoden:M36Lösungen: —Institute:Kontakte:Diffusionskonstante | DLS | Dynamische Lichtstreuung | Hydrodynamischer RadiusOtto Glatter, Gerhard FritzKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für ChemieNanopulver | Particle Sizing | Photon Correlation Spectroscopy | Pulver | TeilchengrößenverteilungI6K9Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200511

MethodenM5: Elektrochemische MethodenM5: ElektrochemischeMethodenElektrochemische Methoden sind hervorragendzur Bestimmung der Eigenschaften organischerMoleküle in verschiedensten Lösungsmitteln geeignet.Dies inkludiert u.a. nachfolgende Techniken:Abbildung 1:Apparateschema der photomoduliertenVoltammetrie.Die zyklische Voltammetrie (CV) kommt zurAnwendung bei der Bestimmung der Redoxpotenzialeverschiedenster Donor- und Akzeptorverbindungen,welche in weiterer Folgezu Untersuchungen der Kinetik elementarerElektronentransferreaktionen an Elektrodenherangezogen werden. Diese Methode stelltdie vielleicht vielseitigste elektroanalytischeTechnik zur Charakterisierung elektroaktiverSpezies dar, deren Effizienz aus der Fähigkeitdes Redoxverhaltens über einen großen Potenzialbereicherwächst. In einem klassischenCV-Experiment wird der zwischen ArbeitsundGegenelektrode durch Applizierung einerDreiecksspannung entstehende charakteristischeStrom gemessen, welcher in weitererFolge Aufschluss über das elektrochemischeVerhalten der untersuchten Spezies gibt.Abbildung 2:Photomoduliertes Voltammogramm vonAzobenzol in DMF, Acetonitril (MeCN)und Propionitril (PrCN) bei einer Modulationsfrequenzvon 120 Hz.12Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M5: Elektrochemische MethodenDie rotierende Scheibe wird, neben Untersuchungenelementarer Elektrodenreaktionen,hauptsächlich zur Bestimmung translatorischerDiffusionskoeffizienten herangezogen. Derhierbei zur Anwendung kommende Apparatbesteht, wie der Name bereits impliziert, auseiner aus Gold, Glaskohlenstoff oder Platingefertigten und in einem isolierenden Material(Teflon) eingebetteten mittels Motors zumRotieren gebrachten Scheibe. Die RotationsbewegungDie Redoxpotenziale in situ generierter Radikalemit durchschnittlichen Lebensdauern imms-Bereich und Konzentrationen im nM-Bereichlassen sich mit Hilfe der photomoduliertenVoltammetrie transient verfolgen. DieseTechnik (Abb. 1) kombiniert die direkte Bildungder Radikale vermittels modulierter Photolysemit der Detektion des bei der Oxidation bzw.Reduktion der so generierten Radikale entstehendenWechselstroms (Abb. 2).sorgt für den Aufbau eines wohl-definierten Strömungsprofils und liefert, beiApplikation eines Spannungsscans, eine damitverbundene charakteristische, von LevichGünter Grampp, Stefan LandgrafTechnische Universität GrazInstitut für Physikalische und Theoretische Chemiebestens beschriebene, Strom-Spannungscharakteristik,welche die Bestimmung translatorischerDiffusionskoeffizienten ermöglicht.Methoden: —Lösungen: —Institute:I13Kontakte:K11Diffusionskoeffizient, translatorischer | Elektrochemie | ElektronentransferreaktionenRedoxpotenzial | Voltammetrie, photomodulierte | Voltammetrie, zyklischeIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200513

MethodenM6: Elektrolytische PräparationM6: ElektrolytischePräparation für dieTransmissionselektronenmikroskopieDie Ansprüche an die Präparation von Probenfür die Transmissionselektronenmikroskopie sindüber die Jahre stetig gestiegen, dies betrifft insbesonderedie Analyse unterschiedlichster neu entwickelterWerkstoffe. Im Mittelpunkt stand dabeidie Forderung nach großflächigen und einheitlichdünnen Proben. So wurde begonnen, die unterschiedlicheÄtzwirkung diverser Säuren und andererChemikalien in Verbindung mit elektrischemStrom zu untersuchen. Durch die signifikanten Forschungsanstrengungenauf diesem Gebiet stehenheute Geräte und Methoden zur Verfügung, welchenicht nur sehr einfach und schnell handhabbar,sondern auch reproduzierbar sind.Das Prinzip der elektrolytischen Präparation bestehtdarin, dass ein gebündelter Strahl des Elektrolytendurch eine Pumpe auf die positiv geladeneProbe „gesprüht“ wird (s. Abb. 1). Dadurch bildetsich auf beiden Seiten der Probe eine Mulde aus.In einer gesonderten Kammer sitzt eine Lichtquelle,die auf die Probe gerichtet ist. Entsteht in der Mitteder Probe nun ein Loch, so wird das durchgelasseneLicht von einer Fotozelle, welche sich in einer derPhotozelle gegenüberliegenden Kammer befindet,detektiert und stoppt den Vorgang. Nun liegt es amPräparator, die Probe so schnell wie möglich ausder Poliereinheit zu entnehmen, um ein weiteresÄtzen und damit ein weiteres Dünnen der Probe zuvermeiden. Nach mehrmaligem Spülen mit einemGemisch aus destilliertem Wasser und Ethanol istdie Probe zur Untersuchung im Transmissionselektronenmikroskop(TEM) bereit.Abbildung 1:Schematische Darstellung derDünnungskammer einer elektrolytischenPräparationseinheit. Anstelle vonweißem Licht wird in neueren Anlagenein feiner Laserstrahl verwendet. DasInsert zeigt die Entstehung des Lochesdurch die Einwirkung des Elektrolyten.Metalle wie Eisen, Aluminium und Kupfer, sowiederen Legierungen eignen sich besonders gut fürdie elektrolytische Dünnung, auch Hartmetalle aufWolframkarbid-Basis u. ä. oder Edelmetalle, wieSilber oder Gold, sind für diese Präparationstechnikgeeignet. Für jedes dieser Metalle bzw. jede dieserLegierungen gibt es mehrere Arten von Elektrolyten,deren Wahl von der Untersuchungsmethodeabhängt. Während Säure / Wasser-Gemischebesonders großflächige Ergebnisse liefern, sindSäure /Lösungsmittel-Gemische eher zur Hervorhebungder Korngrenzen geeignet.14Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M6: Elektrolytische PräparationDie elektrolytische Präparation bietet viele Vorteileim Vergleich zur herkömmlichen Präparation.Es ist nicht nötig, das Probenplättchen vorbereitendzu polieren oder zu bearbeiten, sondern es genügtbereits das Grobschleifen auf ca. 300 – 500 µm. DesWeiteren können mehrere Proben in kürzester Zeit(ca. 2 min /Probe) präpariert werden, die Qualitätder Präparation ist bereits unter dem Lichtmikroskopsichtbar. Wie erwähnt ist die großflächigeDurchstrahlbarkeit im TEM das wesentliche Plusfür die Anwendung dieser Technik.Natürlich gibt es auch Nachteile. Abhängigvom Probenmaterial kann einen falsche Wahldes Elektrolyten gerade bei mehrphasigen Probenzu unterschiedlichen Ätzraten und damit zubevorzugter Dünnung bestimmter Stellen führen.Bei heterogenen polykristallinen Proben spielenauch die Kornorientierung und Änderungen in derKorngrenzenchemie eine wesentliche Rolle. Da fürderartige Präparationen stets neue, frische Elektrolytlösungenverwendet werden müssen, ist auchder Umweltaspekt nicht zu vernachlässigen. AlteLösungen sind als Sondermüll einzustufen undbedürfen daher einer spezifischen Entsorgung. Fürden Präparator ist diese Methode mit aufwändigerenSchutzvorkehrungen als bei der konventionellenPräparation verbunden, da oft mit gefährlichenSäuren wie Flusssäure gearbeitet werden muss.Zum anderen ist die Präparation spröder Materialiensowie nicht-leitender Stoffe (Oxide, …) nichtmöglich.Zusammengefasst ist die elektrolytische Probenpräparationbei richtiger Verwendung eineausgezeichnete, rasch durchzuführende und gutreproduzierbare Technik, um großflächige Probenherzustellen, die anschließend im TEM charakterisiertwerden sollen.Manuel PallerTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazMethoden:M2Lösungen: —Institute:I4Kontakte:K21Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAEM | Analytische Transmissionselektronenmikroskopie | ProbenpräparationProbenpräparation, elektrolytische | TEMHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200515

MethodenM7: Elektronenbeugung an Oberflächen (LEED)M7: Elektronenbeugung anOberflächen (LEED)Viele moderne Nanotechnologien beruhen aufden Eigenschaften von atomar geordneten Substratenund Schichten. Solche dünnen geordnetenSchichten (im Bereich von 1 nm) könnennicht mit Röntgenbeugung, aber mittels Beugungniederenergetischer Elektronen untersucht werden.Der Grund für die Oberflächenempfindlichkeitist die starke Wechselwirkung der Elektronenmit den Festkörperatomen. Bei dieser Methodewird ein Elektronenstrahl mit Energien von etwa20 eV–200 eV im Vakuum auf die Oberfläche geschossenund die rückgebeugten (elastisch reflektierten)Elektronen werden auf einem Leuchtschirmsichtbar gemacht. Damit nur die elastischreflektierten Elektronen auf den Leuchtschirmgelangen können, werden durch ein geeignetesGegenfeld alle unelastisch gestreuten Elektronenabgeblockt (Abb. 1). Die ohne Energieverlust durchdas Gegenfeldgitter hindurchgetretenen Elektronenwerden dann auf den Leuchtschirm beschleunigt,wo sie Lichtreflexe erzeugen. Aus dem Beugungsmuster,welches das reziproke Gitter des reellenGitters darstellt, kann man auf die Anordnung derAtome oder Moleküle auf der Oberfläche, bzw. inder dünnen Schicht schließen. Solche Untersuchungenwerden meist unter Ultrahochvakuumbedingungendurchgeführt (10 -10 mbar), da schongeringste Adsorption aus dem Restgas die Oberflächeverändern kann. Die Informationen, die manmit der niederenergetischen Elektronenbeugung(Low Energy Electron Diffraction, LEED) erhält, sindfür viele Anwendungen von Bedeutung, z.B. fürdas geordnete Aufwachsen von Schichten in derHalbleitertechnologie (Si, GaAs-Epitaxie), für dieUmordnung von Oberflächenatomen (Silizium-Rekonstruktion),für die Selbstordnung von großenorganischen Molekülen (Self-assembling) oder fürdie gezielte Strukturierung von Oberflächen im Nanometermaßstab(Nanopatterning).Adolf WinklerTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikAbbildung 1: Schema einer LEED-Optik.16Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM8: Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS)M8: Elektronenenergieverlustspektroskopie(EELS)Seit einigen Jahren werden Transmissionselektronenmikroskopemit analytischen Zusatzeinrichtungenausgerüstet, die es ermöglichen dielokale chemische Zusammensetzung der Probe zubestimmen. Besonders gut ist dafür die Elektronenenergieverlustspektroskopie(EELS) geeignet,mit der chemische Elemente in sehr kleinen Probenbereichenbis zu einem Nanometer analysiertwerden können [1]. Hochenergetische Elektronenmit einer Beschleunigungsspannung von 100.000bis 300.000 Volt können sehr dünne Proben (

M8: Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS)Bereich von 0,1 bis 1 at%, in besonderen Fällenkonnten sogar einige ppm (z.B. La in Glasmatrix)nachgewiesen werden. Zusätzlich besitzen die Ionisationskanteneine Feinstruktur, die Rückschlüsseauf den chemischen Bindungszustand des angeregtenAtoms ermöglicht. Die Feinstrukturen werdenwillkürlich in zwei Teile unterteilt: Der Nahkantenbereich(ELNES = Energy-Loss Near Edge FineStructure) und der kantenferne EXELFS-Bereich(Extended Energy-Loss Fine Structure) können fürdie Bestimmung elektronischer Zustände, Koordinationszahlen,Oxidationsstufen und der Bindungsabständeherangezogen werden. Durch den Einbaueines Monochromators in die elektronenoptischeSäule des TEM kann die Energieauflösung auf unter0,2 eV reduziert und damit auch der Informationsgehaltdes EELS-Spektrums wesentlich erweitertwerden (Abb. 3) [2].Abbildung 2:EELS-Spektrum von Titankarbid(Probendicke 20 nm, aufgenommen mit200 kV).Der Niederverlustbereich des Spektrums(< 50 eV) rührt von inelastischen Wechselwirkungenmit Elektronen in äußeren Energieniveaus bzw.dem Valenzband- und Leitfähigkeitsband her undliefert damit Informationen über die elektronischenund physikalischen Eigenschaften der Probe. Nebender Anregung von kollektiven Schwingungenbei Metallen (Plasmonen) können auch Intraband-und Interband-Übergänge sowie die Bandlückebei Halbleitern gemessen werden. Das Niederverlustspektrumkann mit der dielektrischen Funktionbeschrieben werden, deren Imaginärteil die „Absorption“repräsentiert. Damit können Korrelationenzwischen EELS-Spektroskopie und optischenMaterialkonstanten wie Brechungsindex und Absorptionskoeffizienthergestellt werden.Abbildung 3:EELS-Spektren eines V 2 O 5 -Einkristalls(100 nm Durchmesser); a. EELS mitkonventionellem TEM-EELS-System;b. EELS mit Monochromator-TEM-EELS-System und mit unterschiedlicherEnergieauflösung und c. Röntgenabsorptionsspektrumaufgenommen mitSynchrotronstrahlung.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200519

M8: Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS)Zusammenfassend ist darauf hinzuweisen, dassder große Vorteil der EELS-Spektroskopie in derexzellenten Ortsauflösung liegt, die bei sehr dünnenProben im Wesentlichen nur vom Durchmesserdes Elektronenstrahls abhängt. Ist das TEM miteiner Feldemissionskathode ausgerüstet, könnensogar Probenbereiche, die zwischen 1 und 2 nmliegen, mit EELS analysiert werden. Aus diesemGrund wurde die EELS-Spektroskopie bereits beivielen materialwissenschaftlichen und biologischenProblemstellungen erfolgreich eingesetzt, z.B.Korngrenzen und Sekundärphasen in Stählen undLegierungen, Werkstoffbeschichtungen, Halbleiterbauelementen,Keramiken, Magnetwerkstoffen,Hartmetallen, Katalysatoren, Biomaterialien undbiologischem Gewebe.Literatur:[1] R. F. Egerton (1996) „Electron Energy-LossSpectroscopy in the Electron Microscope“.2. Auflage. Plenum Press, New York. 485Seiten.[2] C. Mitterbauer, G. Kothleitner, W. Grogger,H. Zandbergen, B. Freitag, P. Tiemeijer,F. Hofer (2003) „Electron Energy-Loss NearEdge Structures of 3d Transition Metal OxidesRecorded at High Energy Resolution“. Ultramicroscopy96, 469 – 80.Ferdinand Hofer, Gerald KothleitnerTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazMethoden:Lösungen:Institute:Kontakte:M2 | M10 | M11 | M30L39I4K14 | K21dielektrische Funktion | EELS | Elektronenenergieverlustspektroskopie | optische KonstantenTEM | Transmissionselektronenmikroskopie20Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M9: EllipsometrieMethodenM9: EllipsometrieEinsatzbereich und Genauigkeitdes VerfahrensDie Ellipsometrie ist ein optisches Messverfahren,das die berührungslose Bestimmung vonoptischen Konstanten (Brechungsindex und Absorptionskoeffizient)und Schichtdicken von Dünnschichtenund Dünnschichtsystemen erlaubt. DasVerfahren bietet – abhängig von den zur Verfügungstehenden Wellenlängen und der Qualität der untersuchtenSchichten – eine Dickenauflösung bishinunter in den Nanometerbereich. Der Bereichuntersuchbarer Schichten reicht von wenigenNanometern bis zu einigen zehn Mikrometern (inspeziellen Fällen auch darüber hinaus). Im Bereichvon 100 nm aufwärts können Brechzahl und Dickesimultan bestimmt werden, darunter verhindert diezunehmende Parameterkorrelation zwischen denbeiden Größen (verschiedene Wertepaare liefern„gleich gute“ Werte) eindeutige Lösungen. Zu großenDicken hin besteht abermals die Möglichkeitder Mehrdeutigkeit nahe beieinander liegenderLösungen, hier kann allerdings durch bekannteDispersionsrelationen von Materialien u. U. Abhilfegeschaffen werden. Die Genauigkeit der Brechungsindexbestimmunghängt wiederum von derSchichtgüte und anderen Einflussfaktoren ab, guteInstrumente erreichen etwa 10 -3 . Voraussetzungfür die Möglichkeit der Dickenbestimmung ist diehinreichende Transparenz der untersuchten Schichtenfür die verwendeten Wellenlängen, zumindestder erste von der Unterseite reflektierte Teilstrahlmuss mit dem an der Schichtoberseite reflektiertenTeilstrahl zur Interferenz kommen können.BauformenEllipsometer werden heute von einigen Firmenin verschiedenen Bauformen angeboten, wobei i.A.in Reflexionsgeometrie gearbeitet wird. Es existierenaber auch Geräte, die sowohl in Reflexion alsauch in Transmission messen können, allerdingsist dabei eine vertikale Lage der Proben in Kauf zunehmen. Der meistverwendete Spektralbereich istder Bereich des sichtbaren Lichts (VIS) von etwa400 bis 800 nm. Die in diesem Bereich arbeitendenGeräte (Lichtquelle i. A. Xenon-Hochdrucklampe)reichen zumeist in den ultravioletten Bereich (UV)bis zu etwa 300 oder 250 nm hinein. Für die Verwendungnoch kleinerer Wellenlängen (bis zu etwa140 nm) muss aufgrund von Wasserdampf- undSauerstoff-Absorptionen der Luft mit trockenemStickstoff gespült werden, als Lichtquellen werdenDeuterium-Lampen verwendet. Bis in den Bereichdes nahen Infrarot (etwa 2 µm) können dispersivarbeitende Ellipsometer (mit entsprechend infrarot-empfindlichenDetektoren) eingesetzt werden,für größere Wellenlängen bis etwa 30 µm werdenFourier-Transformations-Ellipsometer eingesetzt.Grundsätzlich sind – auch abhängig vom verwendetenWellenlängenbereich – Bauformen mitunterschiedlichem optischem Design im Einsatz:Ellipsometer mit rotierendem Analysator oder Polarisator(RAE oder RPE), Geräte mit rotierendemKompensator (RCE) sowie Null-Ellipsometer.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200521

M9: EllipsometriePrinzip des VerfahrensDie Probe wird mit einem parallelen Lichtstrahlmit definierter Polarisation beleuchtet und das vonder Probe reflektierte (oder durch sie transmittierte)Licht auf einem Detektor aufgefangen (Abb. 1). ImStrahlengang befinden sich zumindest zwei Polarisatoren,einer vor der Probe, der zweite vor demDetektor (Analysator).Bei RAE-Geräten wird der Polarisator fix gehalten,während der Analysator mit konstanterWinkelgeschwindigkeit rotiert und so auf demDetektor ein zeitperiodisches Signal erzeugt wird,dessen Fourier-Transformierte zur Generierung derMesswerte herangezogen wird (bei RPE rotiert derPolarisator während der Analysator feststeht, beiRCE stehen Polarisator und Analysator fest, einWinkel des elektrischen Feldvektors (E) zur aus dem Einfallslot und dem Strahlvektor gebildeten Einfallsebene (s. Abb. 1). Die Strahlung besitzt alsoeine in der Einfallsebene liegende (p)-Komponenteund eine dazu senkrechte (s). Bei der Reflexion ander Probe werden nun diese beiden Komponenten der Strahlung i. A.mit unterschiedlichen Amplituden und Phasen reflektiert, sodass die nach der Reflexionauf den Analysator auftreffende Strahlung i. A. Die Form der Polarisationsellipse und die Nei- im Strahlengang befindlicher Phasenkompensator gung φ ihrer Achsen (φ,π) der Ellipse gegen die (vgl. weiter unten) „rotiert“). Es sei die einfallende des Laborkoordinatensystems (s,p) sind durch die Strahlung linear polarisiert, mit einem bestimmten Amplituden der elektrischen Feldvektoren und de- ren Phasenverschiebung φ bestimmt: elliptisch polarisiert ist (Abb. 1). Achsenverhältnisund Lage der Achsen in Bezug auf ein Laborkoordinatensystem(Abb. 2) sind durch die Reflexionan der Probe eindeutig mit der Polarisation deseinfallenden Strahles verknüpft, somit kann daskomplexe Verhältnis der aus der MaxwellschenElektrodynamik folgenden Fresnel-Koeffizientenfür p- und s-polarisierte Strahlung berechnet werden:einfallendreflektiert psEeinfallend Probe reflektiert ps E Abbildung 1:Prinzip der Ellipsometrie (in Reflexionsgeometrie).E p0p22E pEEHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M9: Ellipsometrieund SchichtdickenpE berechnen zu können, musseinfallendsein elektrodynamisches Modell des untersuchtenSchichtsystems verfügbar sein, das den Zusammenhangzwischen einfallender und reflektierterProbeE p0pEE s0Abbildung 2: Für RAE folgen aus dem zeitperiodischenSignal I(t) am Detektor (_a ist der Azimutwinkeldes Analysators) des Polarisators, T C die Transmission und ∆ CdiePhasenverschiebung eines ev. im Strahlengangbefindlichen Kompensators [zur Erzeugung voneinfallendem Licht mit beliebiger elliptischer Polarisation] bedeuten):Für die Ellipsometer anderen Typs existierenähnliche Zusammenhänge. In der Ellipsometrie istes üblich, das komplexe Verhältnis der Fresnel-Koeffizientenin der Form tan ψ·exp(i∆) zu schreiben.Um aus diesem Verhältnis optische KonstantenStrahlung herstellt. Hier wird i. A. der auf Abelèss p EE 0E 0 sLinear polarisiertes Licht vor, elliptischpolarisiertes nach der Reflexion an derProbe. (1950) zurückgehende Matrixformalismus kombiniertmit dem Jones-Matrix-Formalismus verwendet.Heutige Ellipsometer bieten für die mit demelektrodynamischen Modell durchzuführendenRechnungen bzw. Anpassungen an die Messwerte zumeist sehr ausgereifte Software an. nach der Fourier-Transformation die Koeffizientena und b und aus diesen letztlich das ge- Die Auswertung verläuft grundsätzlich so, dass suchte Verhältnis der Fresnel-Koeffizienten r p und Startwerte für die zu eruierenden Größen vorgegebenwerden und das Programm einen Least- r s für die p- und s-polarisierten Komponenten der Strahlung (wobeiα Pden bekannten Azimutwinkel Square-Fit mittels entsprechender Algorithmen (z.B. Levenberg-Marquardt) durchführt.ModellerweiterungenZunächst bietet die elektrodynamische Modellrechnungdie grundsätzliche Möglichkeit, das realeSchichtsystem als System mit glatten Grenzflächenzu beschreiben, wobei die optischen Konstanteninnerhalb der Schichten als homogen angenommenwerden. Meist existieren im Realsystem mehroder minder starke Abweichungen von diesemIdealzustand, die einen erheblichen Einfluss aufdie Messresultate haben können. Als wichtigsteseien InhomogenitätenreflektiertE der Schichtdicke innerhalbdes optischen Messspots, Wölbungen derOberfläche,pGradienten s der optischen Konstantenin Schichtnormalenrichtung, Oberflächen- bzw.Grenzflächenrauigkeiten sowie partielle Belegungender Oberflächen mit anderem Material genannt.Weiters können inkohärente Reflexionen von derSubstratrückseite (im Falle von dessen Transparenz)negativen Einfluss auf die Genauigkeit der Messunghaben. Die eben genannten Faktoren lassen sichebenso wie solche, die geräteseitige Abweichungenvom „optischen Idealzustand“ darstellen (z.B.endliche spektrale Breite der Strahlung), in dasoptische Modell der Probe mit aufnehmen. Es istleicht einzusehen, dass unbekannte Nichtidealitätenzu Unsicherheiten der Interpretation der MesswerteIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200523

M9: Ellipsometrieführen können, sodass ergänzende Messungen mitanderen Methoden (z.B. Bestimmung der Oberflächenrauigkeitmittels Atomkraftmikroskopie) aufjeden Fall sinnvoll sind.EinsatzmöglichkeitenEllipsometrie wird überall dort zweckmäßigeingesetzt, wo die schnelle und berührungsloseUntersuchung von Dünnschichtsystemen undOberflächen notwendig ist. Natürlich können auch– sofern entsprechende quantitative Beziehungenbekannt sind – alle Materialeigenschaften, die denBrechungsindex bzw. die dielektrische Funktionbestimmen, wie z.B. Legierungszusammensetzungen,ellipsometrisch ermittelt werden. Grundsätzlichkönnen alle Materialklassen, von Dielektrikaüber Halbleiter und Metalle bis hin zu organischenSystemen untersucht werden. Beispielhaft seienUntersuchungenan Halbleitern (Silizium und Siliziumoxide sowieNitride und Oxinitride, Poly-Silizium, Verbindungshalbleiter,Dotierkonzentrationen undDotierprofile, Schichtdicken von epitaktischgewachsenen Layern, Gehalt von Stickstoff,Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser in OxidundNitrid-Dünnfilmen, Phononenabsorption)im Bereich der optischen Technologie (high-/low-n-Mehrschichtsysteme, Leuchtdioden,elektrochrome und photochrome Strukturen,Antireflexionsbeschichtungen, Schutzbeschichtungen,Phasenschiebestrukturen,Doppelbrechung, Absorptionen molekularerBindungen in organischen Dünnschichten)im Bereich der Flachbildschirmtechnologie(leitende transparente Oxide [z.B. ITO],flüssigkristalline Systeme, Farbfilter, Alkalihalogenide,Polyimide, Lacke, Kristallinität vonPoly-Silizium)im Bereich der Lithographie (Photolacke,Masken, Beschichtung von Stepper-Optiken,Immersionsflüssigkeiten, Abziehemulsionsschichten)in der Chemie (Langmuir-Blodgett-Filme,self-assembled monolayers, frei stehendePolymersubstrate [z.B. PET, Polyimide, Teflon,Polycarbonate, Polystyrol])im Bereich der Datenspeicherung (Aluminiumoxid,diamond-like carbon [DLC], Metallfilme,Tantaloxid, magneto-optische Materialien)sowie in-situ-Anwendungen verschiedensterArt (Molekularstrahlepitaxie, Sputtern,Elektronenstrahlverdampfen, CVD und PVD,reaktives Ionenätzen, Elektrochemie)genannt.Georg JakopicJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialien und PhotonikMethoden: —Lösungen:L5Institute:I10Kontakte:K16Absorptionskoeffizient | Anisotropie | Brechungsindex | Dickenbestimmungdielektrische Funktion | Dünnschichten | Ellipsometrie | optische KonstantenSchichtwachstum | VASE24Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M10: Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS)Die Quantifizierung eines Röntgenspektrums(Abb. 2, Insert) kann typischerweise mit einer Genauigkeitvon wenigen Prozent durchgeführt werden,was wesentlich vom analysierten Element abhängt.Auch für die Nachweisempfindlichkeit lässtsich kein einzelner Wert angeben, da diese von unterschiedlichenFaktoren bestimmt wird (Messzeit,analysiertes Element, Probenzusammensetzung).In den meisten Fällen können Elemente bis in denBereich von 0,1 bis 1 Gewichts-% nachgewiesenwerden; unter besonderen Bedingungen kann dieNachweisempfindlichkeit bis in den 100 ppm-Bereichgedrückt werden.Methoden:M2 | M8 | M30Werner Grogger, Ferdinand Hofer Lösungen: —Technische Universität GrazInstitute:I4 | I3Forschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschung Kontakte:K12und Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazEDX | EDXS | Energiedispersive Röntgenspektroskopie | RöntgenspektroskopieTransmissionselektronenmikroskopieIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200527

MethodenM11: Energiefilterungs-TransmissionselektronenmikroskopieM11: Energiefilterungs-Transmissionselektronenmikroskopie(EFTEM)Durch Kombination eines Transmissionselektronenmikroskops(TEM) mit einem abbildenden Energiefilterentsteht das Energiefilterungs-TEM, kurzEFTEM, mit dem die Verteilung der chemischenElemente in einer Probe mit hoher lateraler Auflösunggemessen werden kann. Im EFTEM wird einedünne Probe mit hochenergetischen Elektronenbestrahlt und das vergrößerte Bild in ein magnetischesPrisma gelenkt, das die Elektronen in Bezugauf ihre Energieverluste auftrennt (EELS-Spektrum).Mit Hilfe eines energiewählenden Spalts lässt sichein bestimmter Bereich des Spektrums auswählenund mit einer elektronenoptischen Einheit auf denCCD-Detektor lenken. Dadurch entsteht ein energiegefiltertesTEM-Bild, das nur Elektronen des imAbbildung 1:Aufbau des Energiefilterungs-Transmissionselektronenmikroskops.EELS-Spektrum ausgewählten Bereiches beinhaltet(Abb. 1). Das EFTEM-Bild liefert zusätzlich zurkonventionellen TEM-Abbildung neue physikalischeund chemische Informationen über den Aufbau vonFestkörpern und biologischen Proben.In der Praxis werden hauptsächlich die folgendenEFTEM-Methoden eingesetzt:Der Kontrast von TEM- und von Elektronenbeugungs-Bildernkann durch Ausfiltern derinelastisch gestreuten Elektronen wesentlicherhöht werden.Energiegefilterte TEM-Bilder, die aus niederenergetischenEnergieverlusten gebildetwerden, können bei dünnen Proben dazugenutzt werden, die Verteilung elektronischerZustände (Plasmonen, Intra- und Interbandübergänge)in der Probe lateral aufgelöstdarzustellen.Die derzeit wichtigste Anwendung der Energiefilterungs-TEMliegt bei der Aufnahme vonElementverteilungsbildern. Wird der energiewählendeSpalt auf eine elementspezifischeIonisationskante eingestellt, kann die lateraleVerteilung des entsprechenden chemischenElementes gemessen werden. Für die Erstellungeines Elementverteilungsbildes müssenim Bereich der Ionisationskante mehrereenergiegefilterte Bilder aufgenommen, umanschließend daraus den Untergrund vomeigentlichen Signal abzuziehen. In dünnenProben (< 100 nm) gelingt die Aufnahme vonElementverteilungsbildern der Elemente von28Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M11: Energiefilterungs-TransmissionselektronenmikroskopieLi bis U mit einer lateralen Auflösung von etwa1– 3 Nanometern (s. Abb. 2). Mit geeignetenAuswertungsmethoden können die EFTEM-Elementverteilungsbilder auch quantitativausgewertet werden und damit die lateraleVerteilung der Konzentration chemischer Elementeund die Verteilung chemischer Phasenabgebildet werden.Die Feinstrukturen der Ionisationskantenliefern auch wertvolle Information über dasBindungsverhalten des entsprechendenElementes. Dazu muss der energiewählendeSpalt auf die Feinstruktur an der Ionisationskanteeingestellt werden, und damit könnenenergiegefilterte Bilder zur Messung der lateralenVerteilung von chemischen Bindungenin dünnen Proben eingesetzt werden, z.B. fürdie Unterscheidung von sp 2 - und sp 3 - hybridisiertemKohlenstoff in einer Diamantbeschichtung(Abb. 3).Um die Verteilung mehrerer Elemente in derProbe darzustellen, weist man einzelnen Elementverteilungsbilderndie Farben Rot-Grün-Blau zu undüberlagert die eingefärbten Aufnahmen in einemRGB-Bild. Neben dieser einfachen, auf 3 Elementebeschränkten Methode werden in steigendem Ausmaßmoderne Methoden der Bildverarbeitung undBildkorrelation eingesetzt, die es erlauben eine größereAnzahl von Elementverteilungen zu korrelieren.Neue am Institut entwickelte Methoden erlaubendie Aufnahme von vollständigen EFTEM-Spektrenbildern(Spectrum Images) über weite Bereichedes EELS-Spektrums, wodurch die quantitativeAuswertung in Bezug auf Element- und Phasenverteilungenwesentlich verbessert werden kann.Die EFTEM-Methode wurde bisher für zahlreichematerialwissenschaftliche Problemstellungenerfolgreich angewendet, z.B. für die Untersuchungvon Sekundärphasen, Korngrenzen in Werkstoffen,Stählen, Legierungen und Keramiken, für dieCharakterisierung von Grenzflächen in Halbleitern,elektronischen Bauelementen und Katalysatoren.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 2:Das Viellagensystem für magnetische Datenspeicherung besteht aus dünnen Terbium- (2 nm) und Eisenschichten(3 nm); Links: TEM-Bild im Querschnitt; Rechts: Terbium-Verteilungsbild (EFTEM) mit einerlateralen Auflösung von 1 nm.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 200529

M11: Energiefilterungs-TransmissionselektronenmikroskopieIm Bereich der biologischen Wissenschaften konzentriertensich die Arbeiten auf die Analytik vonElementen höherer Ordnungszahl (> Na), z.B.Ca in biologischem Gewebe, Verteilung von P inDNA-Strängen, Drüsen in Spinnen, Feinstaub inLungengewebe und krankhafte Veränderungender Leber.Weiterführende Literatur[1] F. Hofer, P. Warbichler, W. Grogger (1998)„Nano-Analyse im Elektronenmikroskop“. In„Spektrum der Wissenschaften“, Oktober1998. S.48 – 54.[2] F. Hofer, P. Warbichler (2004) „EFTEMelemental mapping in materials science“. In„Transmission Electron Energy Loss Spectrometryin Materials Science and the EELSAtlas“. C.C. Ahn (Ed.). Wiley-VCH, Berlin.S.181–233.Werner Grogger, Ferdinand HoferTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazAbbildung 3:Nachweis von sp 2 -hybridisiertem Kohlenstoffan der Grenzfläche zwischenDiamantbeschichtung und Hartmetallsubstrat;a. TEM-Bild im Querschnitt;b. RGB-Bild von übereinandergelegtenEFTEM-Verteilungsbildern; rot = sp 2 -hybridisierterKohlenstoff (graphitisierterKohlenstoff); grün = sp 3 -hybridisierterKohlenstoff (Diamant); blau = Kobalt-Binderphase im Hartmetall.Methoden:Lösungen:Institute:Kontakte:M2 | M8 | M17L4 | L39I4K12 | K21EELS | EFTEM | ElektronenenergieverlustspektroskopieEnergiefilterungs-Transmissionselektronenmikroskopie | MikrostrukturenNanostrukturen | TEM | Transmissionselektronenmikroskopie30Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM12: EPR-Spektroskopie(ESR-Spektroskopie)Abbildung 1:M12: EPR-Spektroskopie (ESR-Spektroskopie)Paramagnetische Spezies (Radikale, Übergangsmetallionenetc.) kommen im Zusammenhangmit zahlreichen chemischen, biochemischen undindustriellen Prozessen vor. Dies können reaktiveZwischenstufen in chemischen Synthesen, aktiveSpezies im Verlauf enzymatischer Prozesse oderSchlüsselverbindungen für die Funktionalität nanoskopischerSysteme wie OLEDs (Organic Light-Emitting Diodes, organische Leuchtdioden) oderleitender Polymere sein. Für die Optimierung undNutzbarmachung solcher Reaktionen und Materialienist es wesentlich, die Struktur der paramagnetischenSpezies zu kennen. Dies kann sehrvorteilhaft mittels der EPR(Electron ParamagneticResonance)-Spektroskopie (oder synonym ESR,Electron Spin Resonance) bewerkstelligt werden.Messprinzip der EPR-Spektroskopie.Die Methode selbst beruht darauf, dass paramagnetischeProben in der Anwesenheit einesMagnetfeldes elektromagnetische Strahlung absorbierenkönnen (Abb. 1). Das entsprechende Analysegerät,ein EPR-Spektrometer (Abb. 2), bestehtaus einem Magnet, in dem sich der Probenraumbefindet (Hohlraumresonator), und der Quelle fürelektromagnetische Strahlung, einer Mikrowellenbrücke.Aus einem EPR-Spektrum (Abb. 3) und derzeitlichen Veränderung der Signale kann man dieStruktur und die Reaktivität der paramagnetischenSpezies erforschen. (s. Abb. 4a, b).Abbildung 2:EPR-Spektrometer mit Magnet, darüberdie Mikrowellenbrücke und die Konsole.Im Vordergrund sieht man noch einenNd-YAG-Laser, welcher zur Erzeugungvon Radikalen benutzt werden kann.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200531

M12: EPR-Spektroskopie (ESR-Spektroskopie)Für die EPR-Spektroskopie kann man die paramagnetischenSpezies mit einer breiten Vielfalt vonMethoden herstellen. Hier kommen chemische Verfahren(z.B. Redox-Reaktionen, Atomabstraktion)genauso zum Einsatz wie photolytische Verfahren(Laser, Hochdrucklampen, Halogenlampen, …)oder elektrochemische Zellen.Die Messungen werden üblicherweise in GlasoderQuarzröhrchen mit einem Durchmesservon 3 – 5 mm durchgeführt, wobei das Probenvolumenca. 0,5 ml beträgt. Da die EPR-Spektroskopieeine sehr empfindliche Methode ist, sind inder Regel nur wenige mg der zu untersuchendenSubstanz notwendig.EPR kann auch zeitaufgelöst detektiert werden,wobei hier paramagnetische Spezies mit Lebensdauernin Nanosekundenbereich nachgewiesenwerden können. Von der EPR leiten sich nochweitere Mehrfachresonanzverfahren ab, welcheeinen zusätzlichen Einblick in die Stoffeigenschaftenerlauben (ENDOR – Electron Nuclear DOubleResonance, TRIPLE), ferner gibt es noch gepulsteTechniken und Hochfeldtechniken.Abbildung 3:EPR-Spektrum.32Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M12: EPR-Spektroskopie (ESR-Spektroskopie)Das Einsatzgebiet der EPR-Methode reicht vonder Untersuchung spezifisch generierter Radikaleund Übergangsmetallkomplexe (Katalyse, Nanostrukturen)bis zur Evaluation von Antioxidantien,bestrahlter Lebensmittel, der Haltbarkeit von Polymeren,von Reaktionen an Oberflächen oder derMethoden: —Prüfung der Frische von Bier.Lösungen:L14 | L15Institute:I13Georg Gescheidt, Günter GramppTechnische Universität Graz Kontakte:K8 | K11Institut für Physikalische und Theoretische ChemieElektronenübertragung | ENDOR | EPR | ESR | Katalyse | Paramagnetische Spezies | RadikaleIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200533

MethodenM13: Focused Ion Beam (FIB)M13: Focused Ion Beam (FIB)Die Verwendung fokussierter Ionen in einerFocused Ion Beam (FIB) genannten Anlagebietet weitreichende Möglichkeiten zur Materialbearbeitungund -beobachtung. Der generelleAufbau eines FIB-Systems ähnelt dem eines Rasterelektronenmikroskops(REM), unterscheidet sichjedoch in einigen wesentlichen Punkten. Anstellevon Elektronen werden Ionen aus einer Flüssigmetallionenquelleauf die Probe fokussiert. DieseQuelle besteht zumeist aus einer mit flüssigemGallium benetzten Wolframspitze, aus der durchAnlegen einer Hochspannung Gallium verdampftund ionisiert wird. Die Ionen werden anschließendauf typischerweise 5 – 30 keV beschleunigt undüber ein elektrostatisches Linsensystem auf dieProbe fokussiert. Mittels Ablenkspulen kann dieserStrahl dann bei einem Vakuum von ~10 -6 mbar überdie Probenoberfläche gerastert werden.die Grundlage für die Materialbearbeitung mit demfokussierten Ionenstrahl. Grundsätzlich lässt sichbeliebiges Material mit dem Ionenstrahl bearbeiten,allerdings gibt es probenabhängige Unterschiedehinsichtlich Schädigung, Abtragraten usw.Mittels eines mechanischen Blendensystemskann der Strahldurchmesser bei einem modernenFIB-Gerät über weite Bereiche von typischerweise500 nm –7 nm, und der Ionenstrahlstrom von20 nA–1 pA variiert werden. Während kleine Strahlströmebis 1 nA zur Bildaufnahme und zur präzisenNano-Materialbearbeitung genutzt werden, sindStrahlströme >1 nA zum raschen Abtrag größererProbenvolumina geeignet.Die auf der Probenoberfläche einschlagendenIonen wechselwirken in vielerlei Hinsicht mit demProbenmaterial. Für die Bildgenerierung sind dieentstehenden Sekundärteilchen (Sekundärelektronenund -ionen) wichtig, welche über verschiedeneDetektoren zur Bildaufnahme genützt werdenkönnen. Vor allem bei Proben mit Gefügestrukturoder bei polykristallinen Proben kann hierbei der„Channeling“-Effekt der Ionen ausgenützt werden.Dieser liefert einen starken, von der Kristallorientierungabhängigen Bildkontrast (s. Abb. 1). Dieschweren energiereichen Galliumionen übertragenbeim Auftreffen auf die Probenoberfläche aber auchgenügend Energie, um Probenmaterial (Neutralteilchenund Ionen) aus der Probe herauszuschlagen(Sputtern, engl. „sputtering“). Dieser Prozess bildetAbbildung 1:Channeling-Kontrast. IoneninduziertesSekundärelektronenbild (SE-Bild) einesCu-Kristallgefüges. Das Channelingder Ga + -Ionen verursacht einen starkenOrientierungskontrast der individuellenKristallite.34Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M13: Focused Ion Beam (FIB)Weiters bieten derartige Systeme die Möglichkeitzum gasunterstützten Ätzen sowie zur Materialabscheidungüber die Einbringung entsprechenderchemischer Verbindungen durch Gaseinlasssysteme.Beispielhaft seien hier Iod für das vorrangigeÄtzen von Metallen, Xenondifluorid für selektivesÄtzen von Isolatoren /Halbleitern (z.B. Si oder SiO 2 )sowie Cyclopentadienyltrimethylplatin zur Platin-Abscheidung genannt. Die chemische Reaktiondes Gases mit der Probe findet dabei fast ausschließlichin dem vom Ionenstrahl abgerastertenBereich statt und ist somit sehr ortsspezifisch,was die Methode von anderen Verfahren wie z.B.Ionen- oder Plasmaätzen unterscheidet. Ein typischesAnwendungsbeispiel ist die Kombination vonselektivem Ätzen und anschließender Abscheidungvon leitfähigem Platin für die Modifikation von Halbleiterbauelementen.In den letzten Jahren ist die FIB-Technik auchimmer stärker als Präparationsmethode für transmissionselektronenmikroskopischeProben (TEM)zum Einsatz gelangt (s. Abb. 2). Der Vorteil gegenüberherkömmlichen Präparationstechnikenliegt vor allem in der Möglichkeit der zielgenauenPräparation zu untersuchender Probenbereicheund der vergleichsweise kurzen Präparationsdauer.So können z.B. einzelne Materialdefekte oderEinschlüsse in Proben für eine weiterführendeUntersuchung mittels analytischer TEM zielgenaupräpariert werden.Die kommerzielle Einführung von Zweistrahlgeräten,welche die Funktionalitäten von Rasterelektronenmikroskopund fokussiertem Ionenstrahlin einem System vereinen, hat das Spektrum anMöglichkeiten für die Probenpräparation beträchtlicherweitert. Als Beispiele seien hier die nahezuzerstörungsfreie Beobachtung der Probe währendder Bearbeitung mit dem Ionenstrahl oder der Insitu-Transfervon TEM-Proben vom Substrat aneinen TEM-Probenträger mittels Mikromanipulatorangeführt. Speziell die Möglichkeit in situ, also nochin der FIB-Anlage, Proben manipulieren zu könnenerweist sich hier als wesentlicher Vorteil, um Probenverlustezu vermeiden (Abb. 2).Abbildung 2:TEM-Zielpräparation (SE-Bild).Herausheben eines Probenstücksfür nachfolgenden Transfer auf einenTEM-Probenträger mittels In-situ-Mikromanipulator.TEM-Proben kleinsterStrukturen können mittels FIB zielgenaupräpariert werden.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200535

M13: Focused Ion Beam (FIB)Typische Anwendungsbeispiele:Präparation und Untersuchung von QuerschnittenZielgenaue Präparation von TEM-ProbenSchaltkreismodifikation von HalbleiterbauelementenNanostrukturierung, MikrostrukturierungAnforderungen:Probe sollte elektrisch leitend und vakuumverträglichseinGröße des zu untersuchenden Bereichs vorzugsweise

Abbildung 1:MethodenM14: HECUS System-3M14: HECUS System-3 –Das Röntgenkleinwinkel- und–weitwinkelsystemDie neue Produktlinie HECUS System-3 ist dasderzeit einzige automatisierte System für simultaneRöntgenkleinwinkel- und -weitwinkelmessungen.Die Automatisierung erlaubt unbeaufsichtigte Messserienunter Temperaturkontrolle und Zeitauflösungenim Sekundenbereich, z.B. für die Verfolgungvon Reaktionen in situ. Die Integration von Optik,Probenumgebung, Detektor und Messsteuerunggarantieren dabei Verlässlichkeit und vielseitigeAnwendbarkeit.HECUS System-3 SWAXS – Klein- undWeitwinkelkamera mit zwei linearenortsempfindlichen Detektoren: Datenerfassungin Echtzeit.HECUS System-3 wird als komplettes SAXS-oder SWAXS-System angeboten:Kamerakörper, durchgehend evakuiert(schließt den Weitwinkelbereich ein)Optik (Kollimator)Thermostatisierte Probenhalterung,angesteuert durch MTC-„Time-temperatureprogrammer“TPF-„Beam stop“ und FilterLinearer ortsempfindlicher Detektor(2 für SWAXS)Alternativ SAXeye für 2D-Messungenorientierter Proben (Punktkollimation undCCD-Flächendetektor)Integrierte Elektronik zur Ansteuerungsämtlicher Kamera- und GeneratorfunktionenAbbildung 2:Rotation des Präparats mittelsSpinCap–Probenhalterung: Dadurchwerden Artefakte aufgrund von Sedimentationbzw. Flotation oder aufgrundvon bevorzugten Orientierungen inPulvern vermieden.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200537

M14: HECUS System-3CharakteristikaHöchste Primärintensität bei geringstemSignal /Rauschabstand (Kratky-Optik)Minimaler Untergrund durch durchgehendesVakuum vom Kollimator bis zum DetektorKontrolle des Primärstrahls während der Messungdurch transparenten „Beam stop“Echtzeit-Datenerfassung und -„Readout“Automatisierung /PC-Steuerung und Softwarefür unbeaufsichtigte Messserien, Steuerungvon Generator, Detektor, Temperatur, Online-AuswertungMöglichkeit für „High-Throughput“-MessungenFlexible Probenumgebung (im Vakuum undthermostatisiert): Durchflusskapillare, rotierendeProbenhalterung, Pasten -/PulverküvettenAbbildung 3:Methoden:Lösungen:Institute:Der lineare ortsempfindliche Detektor:Datenerfassung in Echtzeit, einfacherund zuverlässiger Betrieb.M35 | M36L9 | L24I5Peter M. AbujaHECUS XRS GmbHKontakte:K25 | K26Echtzeit-Datenerfassung | HECUS System-3 | RöntgenkleinwinkelstreuungRöntgenweitwinkelstreuung | SAXS | SWAXS | WAXS38Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenAbbildung 1:M15: Hoch-/Tieftemperatur-Pulverdiffraktion (HT-/LT-XRD)M15: Hoch- / Tieftemperatur-Pulverdiffraktion (HT-XRD,LT-XRD)GrundlagenRöntgendiffraktion (X-ray diffraction, XRD) isteine seit langem etablierte Methode zur Charakterisierungder Struktur kristalliner Stoffe. Sie beruhtauf der Streuung und Interferenz von Röntgenstrahlendurch periodisch angeordnete Atome undMoleküle (Kristallgitter) (s. Abb. 1).Misst man mit einem Detektor die Intensität dergestreuten Strahlung, so bekommt man Reflexe(Intensitätsmaxima) bei ganz bestimmten Winkeln(2Ѳ) zwischen dem einfallenden Strahl und derDetektionsrichtung. Maßgeblich für den Winkel istdas Verhältnis zwischen Wellenlänge λ der Strahlungund dem Netzebenenabstand d. Kennt manWellenlänge und Winkel, kann man daraus dieNetzebenenabstände berechnen und damit diegeometrische Struktur des Kristalls bestimmen.Schematische Darstellung der Streuungan zwei Atomlagen (Netzebenen) eines3-dimensionalen Gitters.Betrachtet man ein einheitliches 3-dimensionalesGitter (einen Einkristall), so treten nur in ganzbestimmten Richtungen im Raum Intensitätsmaximaauf. Die Röntgendiffraktion an Einkristallenerfordert daher, dass Röntgenquelle und Detektorin allen 3 Dimensionen um die Probe bewegt werdenmüssen, was sehr aufwändige Messgeräte(Einkristall-Diffraktometer) erfordert.Man kann die Messung wesentlich vereinfachen,indem man statt eines großen Einkristallseine Probe aus vielen kleinen Kristallen verwendet.Durch die statistische Verteilung der Orientierungder einzelnen Kristallgitter werden die punktförmigenEinkristallreflexe zu kreisförmigen Intensitätsmaxima,sodass es genügt, Röntgenquelle undDetektor in einer Ebene um die Probe zu bewegen.Diese Methode wird als Pulverdiffraktion bezeichnet(s. Abb. 2).Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 2:Schema eines Pulverdiffraktometers.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 200539

M15: Hoch-/Tieftemperatur-Pulverdiffraktion (HT-/LT-XRD)Man erhält so die Intensität der gestreuten Röntgenstrahlungals Funktion des Streuwinkels 2Ѳ,woraus man die kristalline Struktur der Probe sehrgenau bestimmen kann. Da jede Substanz ein ganzcharakteristisches Reflexmuster hat, kann man auseinem Pulverdiffraktogramm durch Vergleich mitarchivierten Diffraktogrammen in einer Datenbankauch die chemische Zusammensetzung der Probebestimmen (Abb. 3).Neben Pulvern können auf diese Weise auchkompakte Proben untersucht werden, wenn sie aussehr vielen kleinen Kristalliten aufgebaut sind wiez.B. Stähle, Sintermaterialien, etc. Über die klassischeStrukturbestimmung hinaus gibt es spezielleMess- und Auswerteverfahren, mit denen es möglichist, Kristallitgrößen bis in den Nanometerbereichzu bestimmen, Kristalldefekte zu analysieren oderextrem dünne (Nano)Schichten zu charakterisieren(Schichtdicke, Schichtstruktur, Spannungen in derSchicht).Hoch- / Tieftemperatur-DiffraktionIm Allgemeinen besteht ein unmittelbarer Zusammenhangzwischen der Kristallstruktur einerSubstanz und ihrem chemisch-physikalischenVerhalten. Viele chemische Verbindungen könnenje nach Umgebungsdruck, Temperatur, Feuchtegehaltetc. in verschiedenen Kristallformen vorliegen.Es ist daher von großem Interesse, die Kristallstrukturunter dem Einfluss definiert variierbarerUmgebungsbedingungen untersuchen zu können.Dazu benötigt man spezielle Probenkammern, diezwar einerseits die Probe gegen die Umgebungabkapseln, andererseits aber für den Röntgenstrahlmöglichst durchlässig sind, um die Messung nichtzu behindern. Viele der interessierenden Prozesselaufen bei sehr hohen Temperaturen ab, was hoheAnforderungen an das Design und die Materialiender Probenkammer stellt.Die Firma Anton Paar GmbH ist seit vielen Jahrzehntenführend beim Bau von Probenkammern,mit denen Proben bis -190°C gekühlt und bis2300°C geheizt werden können.Abbildung 4: Hochtemperatur-Kammer bestehendaus Probenträger (A) mit Probenteller(B), Deckel (C) mit Heizung (D) undGehäuse (E) mit Strahlfenster (F).40Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M15: Hoch-/Tieftemperatur-Pulverdiffraktion (HT-/LT-XRD)Neben den reinen Heiz-/Kühl-Kammern gibt esProbenkammern, in denen Proben bei hoher Temperaturwährend der Reaktion mit Gasen untersuchtwerden können, sowie Kammern zur Untersuchungvon dünnen Schichten und von Texturphänomenenbei hohen /tiefen Temperaturen.AnwendungsbereicheWegen der vielfältigen Möglichkeiten, die dieRöntgendiffraktion bietet, findet sie breite Anwendungin der Grundlagenforschung, in der angewandtenForschung und bei der Qualitätskontrollein allen Bereichen der Materialforschung, in derWerkstoffindustrie und in der Pharmazie. TypischeAnwendungsgebiete sind:Erforschung und Entwicklung neuerWerkstoffeDünnschicht- und Nanostruktur-ForschungUntersuchung /Überwachung der Strukturund Zusammensetzung von Metallen währenddes HerstellungsprozessesErforschung von Katalysatoren zurVerarbeitung von Erdöl und ChemikalienBestimmung der Zusammensetzung vonZementen und anderen BaustoffenErforschung der Wirkung von Arznei-Substanzenin Abhängigkeit von ihrer Kristallstruktursowie Überwachung des Herstellungs- undAlterungsprozessesUntersuchung dünner Schichten für Halbleiter-Bauelemente wie z.B. Leuchtdioden, schnelleTransistoren und Infrarot-DetektorenChristian Resch, Bernhard Winkler, Petra KotnikAnton Paar GmbHMethoden: —Lösungen:L11 | L19 | L21Institute:I1 | I3 | I15Kontakte:K37Arzneimittel | Dünnschichten | Hochtemperatur-Kammer | Hochtemperatur-PulverdiffraktionHT-XRD | Katalysatoren | Kristallstruktur | LT-XRD | PulverdiffraktionRöntgenbeugung/diffraktion | Strukturbestimmung | Tieftemperatur-KammerTieftemperatur-Pulverdiffraktion | Werkstoffanalyse | XRD | ZementIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200541

MethodenM16: Hochauflösende SQUID-MagnetometrieM16: HochauflösendeSQUID-Magnetometrie„Superconducting Quantum InterferenceDevice(SQUID)“-Magnetometrie ist die derzeitempfindlichste Methode, Spuren magnetischerSubstanzen, z.B. ultradünne magnetische Schichtenauf Trägermaterialien oder nanomagnetischeEinschlüsse in nichtmagnetischer Matrix, mit Pikogramm-Empfindlichkeitnachzuweisen und zuquantifizieren. Diese Methode findet auch Anwendungin der biomedizinischen Diagnostik (MKG,MMG, MEG), wo biologische Magnetfelder vonder Größenordnung 10 -14 T (1 Milliardstel des Erdmagnetfeldes!) nachgewiesen werden müssen. Inder Materialforschung wird das integrale magnetischeMoment einer kleinen Probe (typisch ~1/10cm 3 ) unter dem Einfluss eines variablen Magnet-Probeneinsatz-Kryostat(a)Probenraum &AC-ModulationsspuleAbbildung 1:SQUID-Magnetometer-Anlage am Institutfür Physik, Karl-Franzens-UniversitätGraz, Abteilung Magnetometrie undPhotonik (gefördert durch den Fondszur Förderung der wissenschaftlichenForschung FWF).SQUID42Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M16: Hochauflösende SQUID-Magnetometriefeldes (Hysteresograph) oder bei festem Magnetfeldunter dem Einfluss einer variablen Temperatur(temperaturabhängige Suszeptometrie) gemessen.Die Messempfindlichkeit beträgt 10 -12 Am 2 .Hauptanwendungsgebiet ist die Erforschung vonmagnetischen Phasenübergängen in geordnetenoder ungeordneten metallischen, halbleitendenund keramischen Stoffen, von magnetischen Aus-(b)Abbildung 2:Funktionsprinzip des SQUID-Magnetometers(schematisch). Der Probeneinsatz-Kryostat(a) (s. links) mit SQUIDwird in die Mitte des Supraleitungsmagneten(b) eingeführt, beide schwimmenin flüssigem Helium (Dewar nichtgezeigt). Die magnetisierte Probe wirdmittels eines Proben-Transport-Mechanismus(Sample Transport Assembly)durch die supraleitenden Auffangspulendes Flusstransformators durchgezogen,die dabei auftretende Magnetflussänderungwird mit dem SQUID gemessen.Das Signal wird in ein magnetischesMoment umgerechnet.scheidungen (nanokristallinen Werkstoffen), vonmolekularen Magneten, magnetischen Polymerenund Funktionswerkstoffen.Verwandte Apparaturen sind die Faradaywaage,das Fluxgate- und das Vibrating-Sample-Magnetometer(VSM). Ortsaufgelöste Magnetometrie wirdmittels Mikro-Hallsonden, magnetooptischer Kerr-Mikroskopie und Magnetkraft-Rastersondenmikroskopiebetrieben. Auch die Raster-Elektronen-Lorentz-Mikroskopiewird für ultra-hohe Ortsauflösungund für eine großflächige Abbildung magnetischerDomänenstrukturen eingesetzt.Herzstück eines SQUID-Magnetometers ist einSQUID-Sensor, welcher auf dem Josephson-Effekt,einem magnetfeldabhängigen Supraleitungs-Tunneleffekt, beruht. Da Supraleitung nur bei tiefenTemperaturen erreicht wird, muss der Sensor auf dieTemperatur des flüssigen Heliums abgekühlt werden.Entsprechend ist eine derartige Anlage (s. Abb. 1) miteinem mit flüssigem Helium gefüllten Kryo-Dewarausgestattet. Das flüssige Helium versorgt gleichzeitigauch den Supraleitungsmagneten zur Erzeugungstabiler Magnetfelder bis zu mehreren Tesla.Heinz KrennKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Magnetometrie und PhotonikMethoden: —Lösungen:L6 | L23Institute:I11Kontakte:K22Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAC-Permeabilität | DC-Permeabilität | Hysteresograph | Magnetisierung, temperaturabhängigeMagnetometer | Magnetometrie | Permeabilität | SQUID-Magnetometrie | SuszeptometerHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200543

MethodenM17: Hochauflösungs-TEM und ElektronenbeugungM17: Hochauflösungs-TEM(HR-TEM) und Elektronenbeugung(SAED, CBED) –Strukturaufklärung im TransmissionselektronenmikroskopEiner der deutlichsten Vorteile des Transmissionselektronenmikroskopes(TEM) im Vergleichzum Lichtmikroskop ist das wesentlich bessereAuflösungsvermögen. Während im Lichtmikroskopsichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 380 bis750 nm verwendet wird, haben die Elektronen, dieim TEM zur Bildentstehung herangezogen werden,eine um einen Faktor 100.000 bis 1.000.000kürzere Wellenlänge (0,001 bis 0,004 nm). Da dieWellenlänge der verwendeten „Lichtquelle“ maßgeblichdas Auflösungsvermögen beeinflusst,können mit dem TEM kleine Strukturen aufgelöstwerden, deren Dimensionen im Bereich von 0,1 nmliegen. Dieser „Nanobereich“ wird mittels Hochauflösungs-TEM(High Resolution TEM, HR-TEM)zugänglich: In Abb. 1a ist ein kleines Nanodreieckaus Gold abgebildet (Seitenlänge etwa 165 nm). Einkleines Detail dieses Dreiecks wurde bei höhererVergrößerung aufgenommen, sodass die einzelnenAtomsäulen des Gold-Nanoteilchens sichtbarwerden (Abb. 1b).Diese atomar aufgelösten TEM-Bilder entstehendurch „Phasenkontrast“. Dabei sind nichtMaterialunterschiede oder unterschiedlich dickeProbenbereiche für den Kontrast verantwortlich,sondern „Phasenunterschiede“ der in unterschiedlicheRichtungen gebeugten Elektronen, die beimAbbildung 1:Nanodreieck aus Gold: (a) ganzes Dreieck bei mittlerer Vergrößerung;(b) HR-TEM-Bild [Ausschnitt aus (a) ]bei höherer Vergrößerung.44Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M17: Hochauflösungs-TEM und ElektronenbeugungDurchgang durch die kristalline Probe entstehen.Um möglichst aussagekräftige Bilder zu erhalten,muss die Probe extrem dünn sein (am besten nurwenige nm), was hohe Anforderungen an die Probenpräparationstellt.Die Grundlage für die Entstehung von HR-TEM-Bildern ist die Beugung der Elektronen amKristallgitter der Probe, wobei der Beugungswinkelvon der Wellenlänge der Elektronen und denkristallografischen Parametern der Probe abhängt.Werden Beugungsbilder (Röntgen- oder Elektronenbeugungsbilder)aufgenommen, lässt sich soInformation zur kristallografischen Struktur der Probegewinnen (Abb. 2). Einkristalline Proben – wiedas Gold-Nanoteilchen in Abb. 1 – erzeugen einBeugungsmuster, das aus einzelnen Beugungspunkten(-reflexen) besteht, während polykristallineProben Ringdiagramme zeigen. Im TEM kann dasBeugungsbild auf Knopfdruck dargestellt werden,wobei hier hinsichtlich des beleuchtenden Elektronenstrahleszwischen zwei unterschiedlichenBetriebsarten unterschieden wird.Wird für ein Beugungsbild ein paralleles Strahlenbündelzur Beleuchtung der Probe benützt,spricht man von Feinbereichsbeugung (selectedarea electron diffraction, SAED). Als Beispiel istdas SAED-Bild des Gold-Nanodreiecks in Abb. 3dargestellt.Abbildung 2:Strahlengang bei der Objektivlinse: Inder hinteren Brennebene der Objektivlinsetreffen sich alle Elektronen, welchedie Probe unter dem gleichen Winkelverlassen haben (Beugungsbild), währendin der Bildebene alle Elektronenfokussiert werden, die vom gleichen Ortauf der Probe stammen.Wie angedeutet, kann jedem Punkt im Beugungsbildein Miller-Index und damit eine bestimmteNetzebene des Kristalls zugeordnet werden, wobeider Abstand des Punktes vom Zentrum desBeugungsbildes umgekehrt proportional zum entsprechendenNetzebenenabstand ist. Aus einemBeugungsbild lassen sich also sehr einfach dieNetzebenenabstände in der Probe bestimmen.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200545

M17: Hochauflösungs-TEM und ElektronenbeugungAbbildung 3:SAED-Bild eines Gold-Nanodreiecks.Alternativ dazu kann der Elektronenstrahl auchauf die Probe fokussiert werden, was die Strukturanalysesehr kleiner Probenbereiche erlaubt(10 nm). Man spricht hier von konvergenter Elektronenbeugung(convergent beam electron diffraction,CBED). In diesem Fall entsteht kein Punktmuster,sondern die Punkte weiten sich – entsprechenddem Konvergenzwinkel des Strahls – zu kreisförmigenScheiben auf. CBED-Bilder beinhalten mehrInformation als konventionelle SAED-Bilder (Abb. 4):Zusätzlich zu Netzebenenabständen können auchAussagen über die Symmetrie des vorliegendenKristallsystems (Punktgruppe, Raumgruppe), dieexakte Wellenlänge der Elektronen, Gitterparameterund die Einheitszelle selbst getroffen werden. Durchdie Kombination von CBED mit der energiefilterndenTEM (EFTEM) können die meisten inelastischgestreuten Elektronen ausgeblendet werden, waszu einer wesentlichen Verbesserung des Kontrastesin CBED-Bildern führt und somit eine genauerequantitative Auswertung ermöglicht.Werner Grogger, Michael Rogers, Christian Gspan,Gerald Kothleitner, Ferdinand HoferTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazMethoden:M2 | M11 | M30Abbildung 4:CBED-Bild eines Silizium-Einkristalls([101]-Zonenachse, energiegefiltert).Lösungen:Institute:L36I4 | I3Kontakte:K12CBED | Elektronenbeugung | Hochauflösungselektronenmikroskopie | HREM | HR-TEMKonvergente Elektronenbeugung | SAED | Transmissionselektronenmikroskopie46Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM18: Nanokristallisierungdurch HochverformungM18: Hochverformung – NanokristallisierungMetallische Werkstoffe mit Korngrößen deutlichkleiner als ein Mikrometer sind von besondererBedeutung, da mit derart feinen Mikrostrukturenu.a. besonders hohe Festigkeiten, superplastischesVerformungsverhalten bei relativ tiefen Temperaturenoder verbesserte magnetische Eigenschaftenerreicht werden können. Basierend auf Untersuchungenvorwiegend russischer Materialforscherist seit Beginn der 1990er Jahre bekannt, dasssich die Mikrostruktur eines ursprünglich grobkristallinenAusgangsmaterials verfeinern lässt, wenndieses bei niedrigen Temperaturen (in Relation zudessen Schmelztemperatur) sehr hoch verformtwird. Die besonderen Vorteile der neuen Methodender Hochverformung („Top-Down“-Verfahren) imGegensatz zu den traditionellen Herstellverfahrenüber die Nano-Pulvermetallurgie bzw. die Rascherstarrung(„Bottom-Up“-Verfahren) beruhen auf derMöglichkeit der Herstellung feinster Gefüge in großenMengen ohne Porosität, Verunreinigungen undkomplizierte Manipulation feinster Metallpulver.Typischerweise sind zur Herstellung nano-/submikrometer-gekörnterGefüge durch Hochverformungplastische Verformungen größer 800% beiTemperaturen kleiner als 30% der Schmelztemperaturnotwendig. Derart große Verformungsgradesind durch konventionelle Verfahren nicht mehrrealisierbar. Bei jeder Umformung gibt es einenWettbewerb zwischen Verformung- und Bruchvorgängen.Wie weit sich ein Körper verformt, undwo es zum Bruch kommt, hängt neben dem Werkstoffselbst, der Verformungstemperatur und derVerformungsgeschwindigkeit, auch stark von derVerformungsart ab.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschafteninstallierte Hochverformungsvarianten.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 200547

M18: Hochverformung – NanokristallisierungAbbildung 2:Gegenüberstellung der Mikrostruktur von reinem Eisen (linkes Bild, REM-Aufnahme) und einem austenitischenStahl (rechtes Bild, TEM-Hellfeld-Aufnahme) nach Raumtemperaturverformung auf jeweils 3200 %.Zu beachten ist die unterschiedliche Vergrößerung der Aufnahmen.Bei den Verfahren der Hochverformung a) EqualChannel Angular Extrusion (ECAE), b) High PressureTorsion (HPT), c) Cyclic Channel Die Compression(CCDC), d) Cyclic Extrusion Compression (CEC),e) Continuous Extrusion Forming (CONFORM) undf) Accumulative Roll Bonding (ARB) wird versucht,den Wettbewerb zwischen Verformung und Bruchmöglichst weit zu Gunsten der Verformung zu verschieben.Wichtigster Punkt dabei ist, Zugspannungenzu vermeiden und die Verformung so weit wiemöglich in den „Druckbereich“ zu verschieben. Beiallen Verfahren werden höchste Verformungsgradeerreicht, da prozessbedingt, oder durch spezielleTricks, der Querschnitt des Materials bei der Verarbeitungunverändert bleibt und somit bruchauslösendegeometrische Entfestigung verhindert wird.Weltweit gibt ist derzeit nicht mehr als eine HandvollInstitutionen die Hochverformung selbst betreiben.Am Erich-Schmid-Institut der ÖsterreichischenAkademie der Wissenschaften sind seit 1999 diein Abb. 1 dargestellten Verfahren ECAE, HPT undCCDC zur wissenschaftlichen Untersuchung derHochverformung installiert.Alle diese drei Verfahren unterliegen einer stetigenWeiterentwicklung, wobei das CCDC eine institutseigene,patentierte Hochverformungsvariantedarstellt. Die installierte HPT-Einrichtung, bei derdas scheibenförmige Material zwischen zwei Pressstempelndurch reine Torsion verformt wird, stelltdie weltweit einzige Einrichtung dar, bei der sowohlder hydrostatische Druck bei der Hochverformung,die Verformungsgeschwindigkeit und -temperaturfrei gewählt werden können, womit dieses Werkzeugzu Recht als das „State of the Art“-Instrumentzur wissenschaftlichen Untersuchung der Hochverformungangesehen werden kann.Die Untersuchungen der letzten Jahre habengezeigt, dass die Eigenschaftsänderungen mitsteigender Hochverformung ganz wesentlich vomverarbeiteten Material selbst abhängen. Dabei spielenParameter wie die Umformtemperatur relativ zurSchmelztemperatur des verarbeiteten Materials,dessen Stapelfehlerenergie und die Verformungsgeschwindigkeiteine wesentliche Rolle. Weiters hatsich für eine breite Spanne unterschiedlicher Metal-48Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M18: Hochverformung – Nanokristallisierungle und Legierungen gezeigt, dass die Mikrostrukturnicht beliebig fein und somit z.B. die Fließspannungnicht beliebig hoch wird, sondern dass sich eineSättigung bei hohen Verformungsgraden einstellt.Wie Abb. 2 deutlich am Beispiel von reinem Eisenund einem hochlegierten austenitischen Stahl zeigt,sind die Mikrostrukturen, welche sich im Bereichder Sättigung einstellen (bei gleichen Hochverformungsparametern)im Reinmetall gröber als jeneder Legierung. Da aber Reinmetalle i.A. geringeFestigkeiten im grobkristallinen Ausgangszustandaufweisen, sind die Festigkeitssteigerungen durchHochverformung in Reinmetallen wesentlich größerals den bereits im Ausgangszustand meist sehrfesten Legierungen. Dieses Verhalten ist in Abb. 3,wiederum für reines Eisen und austenitischen Stahl,illustriert.Die Methoden der Hochverformung stellen eineviel versprechende Möglichkeit dar, feinstkörnigeWerkstoffe ohne Porosität herzustellen. In weitenBereichen ist das Verständnis der zu Grunde liegendenwerkstoffkundlichen Phänomene bereitserarbeitet, es ist jedoch zukünftig noch eine großeZahl offener Fragen zu klären, bevor ein Durchbruchdieser neuartigen Werkstoffe im großtechnischenRahmen denkbar ist.Reinhard Pippan, Andreas Vorhauer,Florian Wetscher, Gerhard DehmÖsterreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für Materialwissenschaftund Christian Doppler Laboratorium für Lokale Analysevon Verformung und BruchAbbildung 3:Gegenüberstellung der Zugfestigkeitssteigerungals Funktion des Hochverformungsgradesin Rein-Eisen undeinem kommerziellen austenitischenStahl. Wie deutlich zu erkennen ist, sinddie resultierenden Festigkeitssteigerungenin unlegiertem Eisen mit geringerAusgangsfestigkeit wesentlich höherals für den hochlegierten Stahl hoherAusgangsfestigkeit.Methoden: —Lösungen:Institute:Kontakte:CCDC | ECAE | Hochverformung | HPT | Metall | Severe Plastic Deformation (SPD)L23 | L27I3K33Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200549

MethodenM19: Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (C-AFM)M19: Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie(C-AFM)Die ständig voranschreitende Miniaturisierungin der Mikroelektronik bringt die herkömmlichenWerkstoff- und Bauteiltestmethoden an ihre Grenzenund verlangt u.A. auch nach neuen Charakterisierungstechnikenauf der Nanometerskala. EineMethode zur elektrischen Charakterisierung ist dieLeitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (ConductingAtomic Force Microscopy, C-AFM), deren Messprinzipin Abb. 1 illustriert ist. Dabei wird eine leitfähigeSonde an einem ebenfalls leitfähigen Biegebalkenwie bei der herkömmlichen AFM-Methode überdie Probenoberfläche gerastert und simultan zurHöhendetektierung der bei angelegter SpannungU fließende Strom gemessen.Die Methode lässt sich insbesondere zur Beurteilungder Dickenhomogenität und der Erkundungeventueller struktureller Defekte in dünnen dielektrischenSchichten – wie sie z.B. in Transistoren alsGateoxide eingesetzt werden – verwenden. Dabeiwird der Fowler-Nordheim-Tunnelstrom gemessen,der neben Materialeigenschaften von Schichtund Sonde sensitiv von der Schichtdicke abhängt.Um morphologische Veränderungen während derMessung zu vermeiden, werden bei Schichtdickenim Nanometerbereich üblicherweise Spannungenkleiner als 10 V angelegt. Die resultierenden Strömeim fA- und niedrigen pA-Bereich erfordern dieVerstärkung mit einem hochempfindlichen Strom-Spannungs-Wandler.Abbildung 1:Messprinzip der Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie:Zwischen Probe undleitfähiger Spitze wird eine Spannung Uangelegt und der resultierende Stromnach entsprechender Verstärkungdetektiert.Da die Methode im Kontakt-Modus durchgeführtwird, muss die Sonde nicht nur elektrisch leitendsondern auch verschleißfest sein, weshalb sichB-dotierte Diamantbeschichtungen auf konventionellenSi-Sonden besser als metallische Sondenoder Schichten eignen. Aufgrund der Beschichtungist der Spitzenradius recht groß. Durch die polykristallineStruktur des Diamantfilms trägt aber immernur ein Kristallit zum Stromfluss bei und die resultierendelaterale Auflösung liegt bei etwa 30 nm.Um einen – die Strommessungen beeinflussenden– Wasserfilm auf der Probenoberfläche zu vermeiden,ist es weiterhin erforderlich, die Messungenim Ultrahochvakuum durchzuführen.Für die Untersuchung von dünnen dielektrischenSchichten sind drei Messmodi entwickelt worden:50Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M19: Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (C-AFM)(a)Abbildung 2:(a) I-V Kurve einer 2,5 nm SiO 2 -Schicht mit zugehörigem Fowler-Nordheim-Fit. (b) 2D-Strombild.Bei der Aufnahme von lokalen Strom-Spannungs-Charakteristikenwird die Spannung zwischenProbe und Spitze schrittweise bis zu Erreicheneines vorher festgelegten Maximalstromeserhöht. Abb. 2a) zeigt eine resultierende I-V-Kurveauf einer 4,5 nm dicken SiO 2 -Schicht. Diese Messungenwerden an einer Vielzahl von Probenortenwiederholt. Man kann nun eine so genannte Pseudo-Durchbruchsspannungals jene Spannung definieren,bei der ein bestimmter Stromwert (z.B. 1 pA)erreicht wird. Aus der Häufigkeitsverteilung derPseudo-Durchbruchsspannungen können Rückschlüsseüber das Auftreten eventueller elektrischerDefekte gezogen werden.Im zweiten Messmodus wird wiederum lokaleine feste Spannung über einen langen Zeitraumangelegt und ein eventueller Anstieg des Stromesals Anzeichen für elektrischen Stress im Dielektrikumdetektiert.Bei der dritten Methode werden zwei-dimensionaleStrombilder bei konstanter Spannung Usimultan zur Oberflächentopographie aufgenommen(Abb. 2b). Diese Strombilder zeigen die lateraleAusdehnung und Verteilung von elektrischenSchwachstellen im Film mit deutlich erhöhtem(b)Strom. Aus dem Vergleich mit der entsprechendenOberflächentopographie lassen sich die Ursachensolcher Defekte ermitteln.Bei Anlegen erhöhter Probenspannungen unterUmgebungsbedingungen, bei denen ein Wasserfilmauf der Probenoberfläche vorhanden ist,werden morphologische Veränderungen auf derNanometerskala induziert. Auf thermisch gewach-Abbildung 3:Nanostrukturierung des Symbols derMontanuniversität Leoben auf einerFläche von 2,5 µm x 2,5 µm einer thermischenSiliziumschicht mittels C-AFM.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200551

M19: Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (C-AFM)senen Siliziumoxidschichten handelt es sich dabeium wenige nm hohe Erhebungen mit ca. 50 nmDurchmesser, die nach neuesten Erkenntnissenebenfalls aus Silizium bestehen. Da diese Modifikationenreproduzierbar sind, lässt sich durch Anlegender Spannungspulse an definierten Probenorteneine Nanostrukturierung auf der Siliziumoxidschichtdurchführen (s. Abb. 3).Abschließend sei noch erwähnt, dass neben derC-AFM-Methode auch die Kelvin Force Microscopy(KFM, Messung von Kontaktpotenzialdifferenzen)und die Rasterkapazitätsmikroskopie (ScanningCapacitance Microscopy – SCM, Bestimmung vonDotierprofilen) zur elektronischen Charakterisierungvon Halbleiterschichten auf der Nanometerskalaeingesetzt werden.Methoden:M28 | M29Lösungen: —Christian Teichert, Sascha KremmerMontanuniversität LeobenInstitut für PhysikInstitute:Kontakte:I12K46C-AFM | Dünnschichten, dielektrische | Gateoxide | high-k dielectricLeitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie | Rasterkraftmikroskopie52Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM20: NanoindentierungM20: NanoindentierungDie Methode der Nanoindentierung ist von der Als Ausgangspunkt für die Berechnung vonklassischen Härteprüfung abgeleitet, bei der ein Härte und elastischem Modul dienen sogenannteharter Prüfkörper (üblicherweise eine Diamantspitze)in das zu untersuchende Material gedrückt wird. me, s. Abb. 1). In der Praxis werden auswertba-„load-displacement-curves“ (Kraft–Weg-Diagram-Bei gegebener Eindruckkraft ist die Größe des re Versuche bis zu Eindringtiefen von nur 10 nmbleibenden Eindrucks ein Maß für die Härte des durchgeführt, diese untere Grenze hängt allerdingsuntersuchten Materials. Als Härte wird der QuotientKraft durch Kontaktfläche zwischen Indenter Es können lokale mechanische Eigenschaften vonstark von der Rauigkeit der Probenoberfläche ab.und Material definiert. Da es bei einer extremen Probenvolumina im Submikrometer- und Nanometerbereichgemessen werden. Ein verbreite-Miniaturisierung eines solchen Versuchs schwierigbis unmöglich wird, die Fläche des verbleibenden tes Anwendungsgebiet der Nanoindentierung istHärteeindruckes zu messen, hat man eine andereMethodik entwickelt: Während des Versuchs Schichten, da hier sehr kleine Eindringtiefen erfor-die mechanische Charakterisierung von dünnenwerden aufgebrachte Kraft und Eindringweg der derlich sind, um den Einfluss des GrundmaterialsSpitze simultan gemessen. Dies ermöglicht bei (Substrats) auf die Messergebnisse zu vermeiden.bekannter Geometrie der Spitze die Ermittlung derKontaktfläche bei einer bestimmten Last, woraus Seit etwa 10 Jahren wird ein Nanoindentiergerätkommerziell angeboten, das Nanoindentierungdie Härte unmittelbar berechnet werden kann.Durch die Messung des Weges kann nun nicht mit Rasterkraftmikroskopie kombiniert, indem einnur die Härte als Maß für den Widerstand eines Nanoindenteraufsatz (s. Abb. 2) auf dem Scannerkopfeines Rasterkraftmikroskops montiert wird. DieMaterials gegen plastische (bleibende) Verformungbestimmt werden, sondern auch die (elastische) Messspitze dient dabei sowohl zur Indentierung alsSteifheit des Materials.auch zur Abbildung der OberflächentopographieIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Kraft–Weg-Diagramm.Abbildung 2:Nanoindenteraufsatz.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 200553

M20: Nanoindentierungeiner Probe. Gelingt es, durch geeignete Probenpräparationeine Topographie zu erzeugen, die dieMikro- und Nanostruktur des Materialgefüges gutwiderspiegelt, ermöglicht dies eine Positionierungund Durchführung des jeweiligen Indentierversuchsin einzelnen Gefügebestandteilen, Fasern, Phasen,Körnern, Ausscheidungen etc. mit einer Ausdehnungvon nur wenigen hundert Nanometern. DiePositioniergenauigkeit beträgt dabei 20 nm.Der Indentieraufsatz ist im Wesentlichen einDreiplattenkondensator (Abb. 2). Anlegen einerelektrischen Spannung an den zwei äußeren Plattenbewirkt eine elektrostatische Kraft auf die mittlerePlatte, auf der ein Stift mit der Indenterspitzemontiert ist. Die Verschiebung der mittleren Plattehat eine Kapazitätsänderung zur Folge, die, entsprechendkalibriert, als Maß für den Eindringwegder Spitze genutzt wird. Die Messauflösung für dieKraft ist deutlich besser als 1 μN, der Weg kann genauerals 0,1 nm erfasst werden. Unmittelbar nacherfolgtem Indentierexperiment kann die Probenoberflächemit den produzierten Härteeindrückenabgebildet werden (s. Abb. 3).Abbildung 3:Methoden:Nanoindents in einem Wolframkorn einesWolfram-Kupfer-Nanocomposites.M28Thomas SchöberlMontanuniversität LeobenDepartment Materialphysikund Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftLösungen:Institute:Kontakte:L17 | L27I3 | I8K43AFM | Härte | Nanoindentierung | Rasterkraftmikroskopie54Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM21: Negativkontrastierungals Diagnostik(a)M21: Negativkontrastierung als DiagnostikDie Wechselwirkung zwischen Elektronen undbiologischem Material ist zu gering, um einen hinreichendenKontrast in einer elektronenmikroskopischenAbbildung zu erzeugen. Der Kontrast kannjedoch durch eine Färbung mit Schwermetallen,einer sogenannten Negativfärbung, wesentlich verbessertwerden. Im Elektronenmikroskop erscheintein mit Schwermetall umlagertes biologisches Objektüberall dort hell, wo das biologische Materialsitzt, da dort kein Schwermetall abgelagert werdenkann. Die Umgebung, wo das Schwermetall abgelagertist, erscheint dunkel, da dort die Elektronenstark gestreut werden. Weil nicht das biologischeMaterial selbst durch eine chemische Reaktiongefärbt wurde, nennt man dies Negativfärbung.Dadurch ist das biologische Objekt selbst ausgezeichnetkontrastiert (s. Abb. 1a, b).Zur Negativfärbung verwendet man 1–2%igeLösungen von Schwermetallsalzen, wie das Natriumsalzder Phosphorwolframsäure oder Uranylacetat.Beim Eintrocknen der Schwermetallsalzlösungsammelt sich diese auf Grund der Kapillarwirkungum ein biologisches Objekt herum an. In Vertiefungendes Objekts selbst, auch in sehr kleinen,bleibt ebenfalls mehr Flüssigkeit liegen. Es istdeshalb möglich, dünne Objekte wie Viren, großeProteinmoleküle, filamentöse Strukturen undraue Membranoberflächen gut sichtbar zu machen(s. Abb. 2).Für größere biologische Objekte wie ganze Zellenist die Negativfärbung ungeeignet, da das Färbemittelnur sehr beschränkt eindringen kann, unddiese Objekte bei der Durchstrahlung infolge ihrerDicke zu viele Informationen überlagert haben.Ausführung der NegativfärbungDas Objekt wird zuerst auf einem Trägerfilm adsorbiert.Die am häufigsten verwendeten Kollodium-Kohle-Filme verändern ihre Ladungseigenschaftenim Laufe der Zeit. Die Netzchen (mit Trägerfilm) werdendeshalb vor der Adsorption einer Glimmentladungausgesetzt. Dabei wird in einer Vakuumkammerbei einem Partialdruck von 1 Pascal (0,01 mbar)zwischen zwei Elektroden in einem Abstand von(b)Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Adenoviren und Rotaviren, die häufigste Ursache für Magen-Darmerkrankungen (Gastroenteritis) imKindesalter. (a) Adenoviren (60 – 90 nm), (b) Rotaviren (65 –75 nm).Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 200555

M21: Negativkontrastierung als Diagnostikzwei bis fünf Zentimetern eine Wechselspannungvon 500 bis 1000 Volt angelegt. Dadurch werdendie Restmoleküle in der Kammer ionisiert. DieseRadikale werden zur Anode hin beschleunigt, wodie Netzchen (mit Trägerfilm) liegen. Dadurch wirdauf die Filmoberfläche eine Ladung aufgebracht, diesie für kurze Zeit an der Luft hydrophil werden lässt.Derart behandelte Netzchen sollten möglichst baldverwendet werden, da die aufgebrachte Ladungexponentiell wieder abnimmt.Nun wird ein befilmtes Kupfernetzchen auf einenTropfen Suspension gelegt (s. Abb. 3). Nacheiner Adsorptionszeit von etwa einer Minute wirddie Suspension mit Filterpapier weggesaugt. DieFilmoberfläche wird mit Wasser gewaschen, umeventuell in der Suspension enthaltene Salze, dieauskristallisieren könnten, zu entfernen. Es wird einTropfen Wasser auf die Oberfläche gebracht undmit Filterpapier wieder weggesaugt. Dies kann beiBedarf mehrmals gemacht werden. Danach wirdein Tropfen Schwermetallsalz-Lösung auf die Filmoberflächegebracht und nach ca. 10 Sekundenmit Filterpapier wieder weggesaugt. Dies machtman ein bis zweimal. Dann lässt man den Restdes Schwermetallfilms auf dem Präparat an derLuft trocknen. Dies ist nun die eigentliche Färbung.Das Präparat ist jetzt bereit für das Elektronenmikroskop.Abbildung 3:Elisabeth IngolicTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazAusführung der Negativfärbung inschematischer Darstellung.Methoden:M2 | M26 | M44Lösungen: —Abbildung 2:Links: Schematische Darstellungder Negativkontrastierung. Rechts:Negativkontrastierung eines abnormenLipoproteins (25 nm).Institute:Kontakte:I4K15Adenoviren | Negativkontrastierung | Phosphorwolframsäure | Probenpräparation | RotavirenTransmissionselektronenmikroskopie | Uranylacetat56Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M22: NMR-CIDNPAbbildung 1:MethodenM22: NMR-CIDNPDie NMR-CIDNP(Nuclear Magnetic Resonance– Chemically Induced Dynamic NuclearPolarization)-Methode ist eine von der Kernspinresonanzabgeleitete Methode und dient zur Untersuchungvon reaktiven Systemen, welche alswesentliche Zwischenstufen Radikale aufweisen.Dies sind Spezies mit nicht gepaarten Elektronen.Sie treten in zahlreichen industriellen Anwendungenauf, wobei sich die Spannweite von Lacken überPhotoresists bis zur Herstellung von Nanostrukturenerstreckt.Das Messprinzip beruht darauf, dass bei Anwesenheiteines starken Magnetfeldes (supraleitenderMagnet) bestimmte Energiezustände (des Kernspin)so aufgespalten werden, dass man mittels RadiowellenÜbergänge zwischen diesen induzieren unddetektieren kann. Die so erhaltenen NMR-Spektrenliefern Informationen über die Bindungsverhältnisseund die räumliche Anordnung von Atomen im molekularenVerbund.Schematischer Aufbau eines NMR-CID-NP-Spektrometers (links), Spektrometer(rechts, die roten Pfeile markierenden Lichtstrahl) und Probenkopf(Einsatz im Bild rechts).Wird zusätzlich zu diesem Phänomen noch Lichtin die Messprobe eingestrahlt, erhält man Auskunftüber die Struktur der Produkte und den photophysikalischenVerlauf der photoinduzierten Reaktion(CIDNP). Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau undein Bild eines NMR-CIDNP-Spektrometers. Die Probebefindet sich in einem Probenkopf im Innerendes Magneten. Der Probenkopf besteht aus einemSende- und Detektionssystem für Radiowellen underlaubt gleichzeitig die direkte Bestrahlung der Probemit Hilfe eines Lichtleiters.Für die Aufnahme eines CIDNP-Spektrums wirdzunächst mit einem Lichtpuls die gewünschte chemischeReaktion induziert, anschließend wird einRadiofrequenzpuls angewandt und das Spektrumdetektiert (Abb. 2). Daraus ist es möglich, die Strukturder Reaktionsprodukte aufzuklären, reaktiveZwischenstufen nachzuweisen und den photochemischenVerlauf zu klären.Abbildung 2: Zeitsequenz für ein CIDNP-Experiment.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200557

M22: NMR-CIDNPFür die NMR- und CIDNP-Spektroskopie musseine Lösung der Probe in einem Röhrchen von 5oder 10 mm Durchmesser platziert werden. DieWahl des Lösungsmittels ist grundsätzlich beliebig,allerdings muss dieses deuteriert sein (eine sehrgroße Palette solcher Lösungsmittel ist kommerziellerhältlich). Die Methode kann auch für feste Proben/Oberflächen adaptiert werden. ZeitaufgelösteMessungen (50 ns) sind möglich.Die Attraktivität der beschriebenen Methodeliegt darin, dass man nicht „starre Strukturen“sondern „Systeme in Aktion“, sogar in Echtzeit,beobachten kann.Georg GescheidtTechnische Universität GrazInstitut für Physikalische und Theoretische ChemieMethoden: —Lösungen:Institute:Kontakte:L15I13K8NMR | CIDNP | Kernspinresonanz | Radikale58Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM23: Oberflächenenergie von BeschichtungenM23: Oberflächenenergie vonBeschichtungen als Kenngrößeder Adhäsionsneigung intechnischen AnwendungenUnter Oberflächenenergie wird die an einerflüssigen oder festen Oberfläche definierter Größewirkende Spannung verstanden, die bestrebt ist,die Oberfläche zu verkleinern, um die energetischgünstigste Form der Oberfläche (Kugel) einzunehmen.Diese wird bestimmt durch die chemischenund physikalischen Eigenschaften der Oberflächeund des umgebenden Mediums. Während die Messungvon Oberflächenenergien von Flüssigkeiten relativeinfach ist, ist diese an Feststoffen nicht direktmöglich, weshalb auf indirekte Methoden zurückgegriffenwird – meist auf die Randwinkelmessungenvon benetzenden Flüssigkeiten. Grundsätzlich gilt,dass eine erfolgreiche Benetzung nur möglich ist,wenn die Oberflächenenergie der benetzendenFlüssigkeit geringer ist als die des Feststoffes.Der Messung zugänglich ist nur die „kritischeOberflächenspannung“ nach Zismann, welche denGrenzwert für die Benetzungsfähigkeit der Oberflächedurch die Flüssigkeit definiert. Diese ist keineMaterialkenngröße sondern nur eine Kenngrößefür das jeweilige System Flüssigkeit–Basismaterialim gerade vorliegenden Oberflächenzustand (metallischblank, Oxidschichten, Adsorbatschichten).Daher ist die Vorhersage der Benetzbarkeit einerOberfläche damit nicht möglich – vielmehr erfordertdie Ermittlung dieser „kritischen Oberflächenenergie“,z.B. nach der häufig verwendeten Methodenach Owens und Wendt, die Verwendung mehrererTestflüssigkeiten.Diese Methode wird zusammen mit einemKaelble-Plot zur Trennung des dispersen und polarenAnteils an der Oberflächenenergie angewendet,um für Beschichtungen praxisrelevante Oberflächenparameterzur Verfügung stellen zu können.Dabei werden unterschiedliche Testflüssigkeitenauf die zu prüfende Oberfläche in genau definierterMenge aufgebracht und die Randwinkel der Tropfenzur Materialoberfläche ausgemessen. Der disperseAnteil in der Messung beschreibt dabei den Anteilder Wechselwirkung, welcher durch London’scheKräfte, d.h. Moleküle mit Dipolmoment, bedingt ist.Im Gegensatz dazu beschreibt der polare Anteil dieWechselwirkung zwischen polaren Molekülen derOberfläche mit der Umgebung.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200559

M23: Oberflächenenergie von BeschichtungenBeschichtungOberflächenenergie[mN/m]disperspolarSiO 2 34,0 19,5Graphit 48,2 0,5CrN 29,1 0,4Cr 26,7 2,0Cr 2 N 26,8 0TiN 20,0 0ZrN 15,9 0,6Als Anwendungsbeispiele dieses Verfahrensin der Beschichtungstechnik können neben derQuantifizierung von Plasmavorbehandlungen vonWerkstoffen (überwiegend Kunststoffen) vor derBeschichtung auch die vergleichende Messung vonbeschichteten Oberflächen unterschiedlicher Rauheitoder unterschiedlicher Schichtzusammensetzunggenannt werden. Letztere Charakterisierungist entscheidend für Beschichtungen, welche z.B. inder Kunststoffformgebung (Spritzguss, Extrusion)Anwendung finden. Tab.1 zeigt anschaulich dieUnterschiede zwischen verschiedenen Beschichtungen.Tabelle 1:Oberflächenenergien verschiedenerBeschichtungen und die Beiträge ausdisperser und polarer Wechselwirkung.Jürgen M. Lackner, Wolfgang WaldhauserJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHLaserzentrum LeobenMethoden: —Lösungen: —Institute:Kontakte:I14K24Adhäsionsneigung | Benetzbarkeit | Kontaktwinkelmessung | Oberflächenenergie60Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM24: Photoemissions-Elektronenmikroskopie(PEEM)Abbildung 1:M24: Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM)Die einzelnen Photoemissionsspektroskopie-Methoden sind besonders geeignete Technikenzur Untersuchung einer großen Bandbreite vonOberflächenphänomenen, die sich von der elektronischenStruktur über die Oberflächenchemiebis hin zum Magnetismus erstrecken. Die Entwicklungdes Photoemissions-Elektronenmikroskopesermöglicht die Untersuchung dieser Phänomenenicht nur mit nanometrischer Präzision, sondernauch in Echtzeit.Schematischer Aufbau einesPEEM-InstrumentsPEEM ist eine abbildende Technik, wobei derKontrast, der von topographischer über chemischebis zu magnetischer Information reichen kann, vonder Anregungsquelle zur Emission der Elektronenaus der Oberfläche abhängt. Das PEEM sammeltdie emittierten Elektronen mittels eines starkenelektrostatischen Feldes zwischen Probe und Abbildungssäule,wobei das Elektronenbild im Anschlussmit mehreren koaxialen Linsen vergrößert wird. Inseiner einfachsten Form werden die Elektronenim Anschluss durch eine Vielkanalplatte vervielfachtund auf einen Fluoreszenzschirm abgebildet(Abb. 1). Dieses Bild kann dann entweder mit einemVideorecorder oder einem Computer aufgezeichnetwerden. Das theoretische Limit der Ortsauflösungliegt bei 2 nm, in Praxis ist sie jedoch durch dasbeschleunigende elektrische Feld begrenzt, wobeineueste kommerzielle Instrumente eine Auflösungvon 20 nm erreichen. Da die Probe effektiv einElement der Elektronenoptik darstellt, ist die Untersuchungnichtleitender Proben nicht möglich unddie bestmögliche Ortsauflösung kann bei topographischflachen Proben erreicht werden.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200561

M24: Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM)Die Beleuchtung einer Oberfläche mit Photonen,deren Energie größer als die mittlere Austrittsarbeitder Probenoberfläche (typisch ungefähr 5 eV) ist,bewirkt die Emission von Photoelektronen. DasPEEM-Bild spiegelt lokale Änderungen der Photoelektronenausbeutewider, und der Kontrast wird inerster Näherung durch Unterschiede in der lokalenAustrittsarbeit bestimmt. Diese ist stark von derchemischen Zusammensetzung der Oberfläche abhängigund erlaubt beispielsweise die Detektion unterschiedlicherkristallographischer Orientierungenoder kleinster Adsorbatkonzentrationen. Für dieses„klassische“ PEEM werden, abhängig vom Bereichder Austrittsarbeit, Standardlaborlichtquellen wieQuecksilber- (hν max = 4,9 eV) und Deuteriumlampen(hv max = 6,4 eV) verwendet.Svetlozar Surnev, Michael Ramsey, Falko NetzerKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Oberflächen- und GrenzflächenphysikMethoden: —Lösungen:L41Institute:I11Kontakte:K36Austrittsarbeit | Deuteriumlampe | Elektronenbild | PEEMPhotoemissions-Elektronenmikroskopie | Quecksilberlampe62Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM25: PositronenannihilationM25: PositronenannihilationDie Positronenannihilations-Spektroskopie isteine der wenigen spezifischen Messmethodenzur zerstörungsfreien Untersuchung von Festkörpernauf atomarem Niveau. Das Positron kann alshochmobile Sonde in einen Festkörper eingebrachtwerden, und kann dort in Gebieten mit verringerterElektronendichte (Leerstellen, Grenzflächen etc.)eingefangen werden. Schlussendlich zerstrahlt esmit Elektronen. Durch Messung und Analyse derPositronenlebensdauer und der Energie der Zerstrahlungsquantenkönnen Informationen über dielokale Elektronendichte am Zerstrahlungsort undüber die chemische Natur der umgebenden Atomegewonnen werden.Das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons,es wird bei einem radioaktiven β-Zerfall emittiert.Dringt das Positron in einen Festkörper ein, wirdes innerhalb weniger Pikosekunden abgebremst(thermalisiert). Bei der anschließenden Diffusionim defektfreien Festkörper wird es nach einer gewissenZeit mit einem Elektron zerstrahlen. Fallsim Festkörper Defekte wie z.B. Leerstellen oderfreie Volumina vorhanden sind, kann das Positronin diesen eingefangen werden und zerstrahlt danndort mit einer für den Defekt spezifischen verlängertenLebensdauer (s. Abb. 1). Aus der Größe derLebensdauer kann also auf die Größe des Defektesoder auf die Größe des freien Volumens geschlossenwerden.Im Wesentlichen findet die Zerstrahlung mitden nur schwach gebundenen Valenzelektronenstatt. Ein relativ kleiner Anteil von einigen Prozentenrührt von der Annihilation mit Rumpfelektronenumgebender Atome her. Durch Messung der koinzidentenDopplerverbreiterung der Energie derbei der Annihilation auftretenden γ-Quanten sowieeiner genaue Analyse der erhaltenen Spektren kannzwischen den beiden Annihilationsarten unterschiedenwerden. Es zeigt sich, dass der Bereich hoherEnergien, der charakteristisch für die Annihilationmit Rumpfelektronen ist, sich von Element zu Elementunterscheidet und die spezifische Analyse derchemischen Umgebung des Ortes der Zerstrahlungermöglicht.Abbildung 1:Einfang und Annihilation eines Positronsin einem Kristalldefekt (Leerstelle).Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200563

M25: PositronenannihilationMit den genannten Methoden der Positronenannihilationkönnen sehr spezifische Untersuchungenvon Grenzflächen in nanokristallinen Metallen undLegierungen sowie des Weiteren zum chemischempfindlichen Nachweis von Leerstellen in Legierungenund Verbindungshalbleitern sowie zur Untersuchungfreier Volumen in Polymeren durchgeführtwerden. Für die zerstörungsfreien Messungen sindstandardmäßig je zwei plättchenförmige Probenmit einer Fläche von mindestens 5×5 mm 2 sowieeiner Flächendichte von mindestens 100 mg /cm 2notwendig.Weiterführende Literatur[1] U. Brossmann, W. Puff, R. Würschum(2003) „Positron annihilation studies ofmaterials; in Characterization of Materials”.Kaufmann E (Ed.), Wiley Interscience, JohnWiley & Sons.Online-Publikation:www.mrw.interscience.wiley.com /com /articles /com110 /frame.htmlWerner Puff, Roland WürschumTechnische Universität GrazInstitut für MaterialphysikMethoden: —Lösungen:Institute:Kontakte:L3I9K35chemische Umgebung freier Volumen | Doppler-Verbreiterung | Festkörperspektroskopiefreie Volumina | Grenzflächen | Leerstellen | Positronenannihilation64Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM26: Präparationstechniken in der ElektronenmikroskopieM26: Präparationstechnikenin der Elektronenmikroskopie(REM und TEM)AllgemeinesAbb. 1 bietet einen schematischen Überblicküber die gebräuchlichsten, in der Raster- undTransmissions-Elektronenmikroskopie (REM undTEM) zum Einsatz kommenden Präparationstechniken.Das Gros der für die Elektronenmikroskopiezu präparierenden Proben muss entweder mit einerleitfähigen Schicht versehen werden (REM), oderes wird von der Probenoberfläche ein durchstrahlbarerdünner Abdruck hergestellt (TEM) bzw. Feinstrukturenwerden durch seitliche Anlagerung eineskontrastreichen Metalls sichtbar gemacht (TEM).Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Präparationstechniken in der Elektronenmikroskopie.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 200565

M26: Präparationstechniken in der ElektronenmikroskopieAbbildung 2:Beschichtungskriterien: Schichtherstellung und entsprechende Umstände.Die Beschichtung der Präparate erfolgt in speziellenHochvakuum-Präparationsanlagen. Temperatur-bzw. vakuumempfindliche Proben werdenmit temperaturschonenden Verfahren beschichtet(z.B. „PSC Sputtering“) und /oder im tiefgekühltenZustand präpariert (Kryopräparation). Abb. 2 zeigtdie Möglichkeiten der Schichtherstellung mittelsVerdampfung bzw. Zerstäubung und die damit verbundenenmethodenspezifischen Umstände.Leitfähigkeitsbeschichtung fürREMBeschichtung durch thermisches Aufdampfenvon GoldBeschichtung mit Gold oder Chrom (bei geforderterHochauflösung) durch Zerstäubung ineiner GasentladungBeschichtung durch Bedampfen mit Kohlenstofffür die analytische RasterelektronenmikroskopieBeschichtung für TEMHerstellung eines Abdruckes der Probenoberflächedurch Bedampfen mit Kohlenstoff undanschließendem Herauslösen der ProbeHervorhebung von Oberflächendetails durchAnlagerung eines kontrastreichen, strukturlosenSchwermetalls unter schrägem Winkeldurch thermische Verdampfung oder Zerstäubungdes Metalls mit Ionen („Sputtering“)Bedampfung von nichtleitenden ionengedünntenPräparaten mit einer dünnen Kohlenstoffschichtzur Vermeidung von Aufladungen imTEM66Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M26: Präparationstechniken in der ElektronenmikroskopieTEM-PräparationNachfolgend sollen nun die wichtigsten Präparationstechniken,die in der Transmissionselektronenmikroskopiezum Einsatz kommen, kurz vorgestelltwerden:Direkte DurchstrahlungBeschichtungs- und AbdrucktechnikenKryopräparationIonendünnungHerstellung von planparallelen TEM-Lamellenmittels FIB-DünnungUltradünnschnitttechniken (Ultramikrotomie)Abbildung 3:Schrägbeschattung und Abdrucktechnik.(1) Präparatoberfläche; (2)Schrägbeschichtung mit Pt/C, Ta, W,…; (3) Kohlenstoff-Hüllabdruck; (4) Bedampfungsabdrucknach chemischemLösen der Probe.Direkte DurchstrahlungIn einigen wenigen Fällen ist es möglich, Probenohne nennenswerten präparativen Aufwand (insbesondereBeschichtung) unmittelbar mittels direkterDurchstrahlung im TEM zu untersuchen.Beschichtungs- und AbdrucktechnikenIm Falle der Bedampfung (u.a. Kohlenstoff-Widerstandverdampfung, Metall-Schiffchenverdampfung,Elektronenstossverdampfung) erfolgtdie Beschichtung des Präparats durch Lichtbogenverdampfungoder durch Aufheizen des Beschichtungsmaterialsüber seinen Verdampfungspunktim Hochvakuum (thermische Verdampfung). Alsnachteilig erweisen sich hier die hohe thermischeBelastung des Präparats, die oftmals schlechteHaftung der Schichten sowie die Tatsache, dassdieses Verfahren nicht mit allen Beschichtungsmaterialiendurchführbar ist.Bei der Zerstäubung (u.a. Gasentladungssputtern,Ionenkanonensputtern, PSC-Sputtern)geschieht die Beschichtung des Präparats durchAbsputtern von Beschichtungsmaterial von einemgeeigneten Target mittels hochenergetischer Argon-Ionenim Hochvakuum. Als Vorteile sind hierfeinkörnige und gut haftende Schichten und diegeringe bis nicht vorhandene thermische Belastungdes Präparates anzuführen.Die Schräg-(Kegel)-Beschattung kommt beiObjekten mit geringer Massendichte zum Einsatz,bei denen der Elektronenstrahl fast ungehindertdurch die Probe geht, und kein Bildkontrast entsteht.Strukturen können jedoch mittels Rotations-Schrägbeschichtung unter sehr flachem Winkel(~5°) durch seitliche Anlagerung eines Schwermetalls(W, Ta, …) sichtbar gemacht werden. DurchAufbringen einer Kohlenstoffschicht und chemischesLösen der Probe kann hier ein spezifischerAbdruck der Probe für die Untersuchung im TEMerstellt werden (Abb. 3).Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200567

M26: Präparationstechniken in der ElektronenmikroskopieKryopräparationBei der Kryopräparation wird die Probe bei-210°C (dem Schmelzpunkt von Stickstoff) eingefroren,anschließend wird – wenn nötig – einAnschnitt oder Bruch der Probe unter flüssigemStickstoff vorgenommen. Nach einer kurzen oberflächlichenSublimation im Hochvakuum bei ca. -80°C erfolgt gegebenenfalls die oben beschriebeneSchrägbeschattungs- und Abdrucktechnik. Danachwird der Probenabdruck mittels Trägernetzchen insdas TEM transferiert.IonendünnungUnter Ionendünnung versteht man den Beschussvon mechanisch vorgedünnten Probenmit Argon-Ionen. Die Ionen tragen dabei von derPräparatoberfläche Material ab („Sputtern“), derRand des dabei entstehenden Loches ist – bedingtdurch den flachen Beschusswinkel (4°– 8°) – fürTEM-Untersuchungen durchstrahlbar dünn. DieseMethode ist für eine große Bandbreite von Materialienwie Metalle, Halbleiter, Kunststoffe, Keramikenund eingebettete Pulver geeignet.Herstellung von planparallelen TEM-Lamellenmittels FIB-Dünnungs. Beitrag „L30: Probenpräparation mittels Zweistrahl-FIB/REM“Ultradünnschnitttechniken (Ultramikrotomie)(Ultra-)Mikrotomie bezeichnet das mechanischeHerunterschneiden durchstrahlbar dünner Probenstückchenmittels (Ultra-)Mikrotomen. Diese Technikist sowohl für anorganische als auch organischePräparate geeignet. Die Proben werden häufig in einentsprechendes Einbettmittel (z.B. Epoxydharze)eingebettet, bei empfindlichen Proben wird einKryo-Ultradünnschnitt unter flüssigem Stickstoffdurchgeführt, wasserhältige Proben müssen vorhermit entsprechenden Methoden (z.B. Kritische-Punkt-Trocknung) entwässert und fixiert werden.s. Beitrag „M44: Ultramikrotomie in der Materialforschung“Abbildung 4:(a) Schematische Darstellung einer Metall-Schiffchenverdampfungs-Anlage. Für die Bedampfung mitKohlenstoff ist das Schiffchen im Schema durch Graphitelektroden zu ersetzen. (b) Schematische Darstellungeiner HF-Sputter-Anlage.68Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M26: Präparationstechniken in der ElektronenmikroskopieREM-PräparationNachfolgend sollen die wichtigsten Präparationstechniken,die in der Rasterelektronenmikroskopiezum Einsatz kommen, kurz vorgestelltwerden:Direkte BetrachtungBeschichtungenKryopräparation /KryotransferIonenätzungHerstellung von Anschnittflächen mittels FIBDirekte BetrachtungIm Falle von leitfähigen Proben ist es vielfachmöglich, diese ohne nennenswerten präparativenAufwand (insbesondere Beschichtung) direkt imREM zu untersuchen.BeschichtungenDie Beschichtung mit Kohlenstoff erfolgt überLichtbogenverdampfung von Reinstgraphitelektroden.Abbildung 5:PSC-Hochauflösungs-Sputtering(PSC … Penning Sputter Coater). DieseTechnik wurde am Zentrum für Elektronenmikroskopie,Technische UniversitätGraz, entwickelt.Bei der Herstellung von Schichten mittels Schiffchenverdampfung(thermische Verdampfung) werdenals Schiffchenmaterialien u.a. Tantal, Wolfram,Molybdän oder Keramiken verwendet (Abb. 4a).Der Vorteil dieser Technik liegt darin, dass er fürmanche Materialien einfach und nicht zeitaufwändigdurchzuführen ist. Leider ist diese Technik für vieleMaterialien nicht geeignet, erzeugt oftmals schlechthaftende und grobkörnige Schichten, und hat einerelativ hohe Strahlenbelastung des Präparats sowieeine schlechte Reproduzierbarkeit zur Folge.Bei der Beschichtung durch Gasentladungssputtern(u.a. DC-Plasma-Sputtern, HF-Plasma-Sputtern, Magnetron-Sputtern) werden mittelsGasentladung Argon-Ionen generiert und in einemelektrischen Feld auf ein sogenanntes Target beschleunigt.Die Ionen schlagen Teilchen aus demTargetmaterials heraus („Sputtern“), die dann aufder entsprechenden Probe abgeschieden werden(Abb. 4b). Dieses Verfahren bietet i. A. gute Abscheidungsraten,eine hohe Reproduzierbarkeit,eine hohe Haftfestigkeit der Schichten, und einegeringe thermische Belastung der Probe. Es kannfür zahlreiche Abscheidematerialien eingesetztwerden, nicht zuletzt für Isolatoren (HF-Plasma,Magnetron).Das technisch aufwändige PSC-Hochauflösungs-Sputteringbietet Vorteile wie äußerst feinkörnige,bereits bei sehr geringer Schichtdicke zusammenhängendeSchichten, sowie die Möglichkeitzum Sputtern von schwer verdampfbaren Metallen(W, Mo, T, Cr), und sehr gut haftende Schichten(Abb. 5). Dem stehen relativ lange Sputterzeiten(und dadurch der Einbau von Fremdatomen in dieSchichten) sowie ein aufwändiges Service und einaufwändiger Targetwechsel entgegen.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200569

M26: Präparationstechniken in der ElektronenmikroskopieKryopräparation / Kryotransfer für REMDie Kryopräparation im REM erfolgt – bis hin zurkurzen oberflächlichen Sublimation – analog zumweiter oben beschriebenen Prozedere für das TEM.Danach wird eine Leitfähigkeitsbeschichtung (v.a.mit Au und Cr) bei ca. -120°C vorgenommen. DieProbe wird anschließend in gefrorenem Zustandentweder zur Gänze durchgetrocknet oder mittelsTransfersystem unter Hochvakuum auf einenmit flüssigem Stickstoff gekühlten Probentisch imREM transferiert, die Probe wird im gefrorenenZustand untersucht. Der Vorteil dieser Methodeliegt in der Untersuchung von Systemen, die mitden herkömmlichen Methoden nicht präpariertwerden können, da diese zu empfindlich sind. DasVerfahren ist jedoch zeitlich und methodisch sehraufwändig.IonenätzungDie Ätzung mit Ionen in einer Gasentladungdient vor allem dem Sichtbarmachen von Gefügestrukturen.Bei der Strukturentwicklung durchÄtzung mit Argon-Ionen werden im HochvakuumArgon-Ionen mit einer Energie zwischen 0,5 und5 keV auf die meist metallische Probenoberflächebeschleunigt. Das dabei entstehende Ätzbild istcharakteristisch für die Probe und lässt Aussagenüber Korngrenzen, Einzelkomponenten und derenStruktur etc. treffen. Die Strukturentwicklung durchÄtzung mit Sauerstoff-Ionen erfolgt ebenfalls imHochvakuum. Die durch Hochfrequenzionisationgebildeten Sauerstoff-Ionen sind chemisch reaktiv,somit können durch schonende Oxidation derorganischen Probenanteile spezifische Strukturenentwickelt bzw. durch schichtweisen Abbau derorganischen Komponenten nichtoxidierbare (anorganische)Anteile freigelegt werden. Dies ermöglichteine Identifizierung und Klassifizierung.Herstellung von Anschnittflächen mittels FIBs. Beitrag „L30: Probenpräparation mittels Zweistrahl-FIB/REM“Albert Brunegger, Werner Rom, Gerald KothleitnerMethoden:Lösungen:Institute:Kontakte:Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazM2 | M6 | M13 | M21M27 | M44L29I4K4Abdrucktechniken | Beschichtungstechniken | FIB-Dünnung | Ionenätzen | IonendünnungKryopräparation | Kryotransfer | Probenpräparation | RasterelektronenmikroskopieREM | TEM | Transmissionselektronenmikroskopie | Ultradünnschnitttechniken | Ultramikrotomie70Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM27: Rasterelektronenmikroskopie(REM)M27: Rasterelektronenmikroskopie (REM)Im Rasterelektronenmikroskop (REM, engl.Scanning Electron Microsope, SEM) trifft ein feinfokussierter Elektronenstrahl auf eine Probe, wobeider Durchmesser im Auftreffpunkt etwa 1 nmbeträgt. Die Elektronen dringen dann in die Probeein, werden dort an den Atomen gestreut und erzeugendabei, wie in Abb. 1 schematisch gezeigt,eine Vielzahl von Wechselwirkungsprodukten. Vondiesen sind einige zur Abbildung der Probenoberfläche,andere wiederum zur chemischen Analyseder Oberfläche geeignet.Durch die Wechselwirkung mit der Materiewerden die Elektronen abgebremst und verlierenschließlich ihre Energie. Die Größe des Probenvolumens,in welchem diese Wechselwirkungenstattfinden, hängt sowohl von der Energie der Elektronenals auch der Dichte des Materials ab. Dertypische Energiebereich im REM beträgt 0,2– 30keV (1 keV = Energie, die ein Elektron beim Durchlaufeneiner Potentialdifferenz von 1 kV erhält). Dermittlere Durchmesser des Wechselwirkungsvolumenskann also mehrere µm betragen (s. Text zuAbb. 1), aber bei sehr niedriger Elektronenenergieauch im Bereich von einigen 10 nm liegen. DieInformationstiefe liegt, da die Elektronen die Probeja wieder verlassen müssen, um zum Detektor zugelangen, bei etwa der halben Eindringtiefe derElektronen in die Probe. Man kann also bis zu dieserTiefe in die Probe „hineinsehen“ und Strukturen wieHohlräume oder Einschlüsse, die innerhalb dieserSchicht liegen, auch erkennen.Abbildung 1: Schematische Darstellung der Wechselwirkungvon Elektronen, welche miteiner Energie E 0auf eine Probenoberflächeauftreffen, mit dem Probenmaterial.Die Eindringtiefe der Elektronen indie Probe ist von ihrer Energie (E 0 ) undder Dichte des Materials abhängig. Man„sieht“ in die Probe „hinein“ ! BeispielAl (Dichte: 2,7 g /cm 3 ): Bei E 0 = 25 keVbeträgt die Eindringtiefe ~6,6 µm, bei E 0= 2 keV beträgt diese nur ~0,1 µm.Zur Abbildung der Probenoberfläche mit Auflösungim nm-Bereich werden die Sekundärelektronen(SE) verwendet. Diese haben sehr niedrigeEnergie und entstehen dadurch, dass hochenergetischeElektronen ihrerseits aus den Atomen derProbe „sekundäre“ Elektronen herausschlagen.Wegen ihrer geringen Energie können diese maximalaus einer Tiefe von einigen nm die Probeverlassen. Da aber auch vom Probeninneren an dieOberfläche zurückgestreute Elektronen sekundäreElektronen erzeugen können, erhält man trotzdemauch die Information aus dem Probeninneren.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200571

M27: Rasterelektronenmikroskopie (REM)Das eigentliche Bild entsteht nun dadurch, dassdie Probenoberfläche über eine vorgegebene Flächeüber ein ebenfalls vorgegebenes Raster (z.B.1024 x 1024 Pixel) abgerastert wird. An jedem Punktwird mit einem Detektor die Zahl der emittiertenElektronen gemessen, in einen Grauwert umgesetztund dieser an der synchronen Stelle auf demBildschirm abgebildet. Die Vergrößerung ergibt sicheinfach durch Division der Breite des Bildes auf demBildschirm oder im Ausdruck durch die Breite derabgerasterten Fläche.Die Kontrastunterschiede im Bild werden dadurchhervorgerufen, dass z.B. an Spitzen oderKanten Elektronen unter einem größeren Raumwinkelaustreten können als an ebenen Flächen,der Detektor damit eine höhere Elektronenzahldetektiert und diese in eine größere Helligkeit imBild umsetzt. Im SE-Bild sind daher ebene glatteFlächen dunkel, Stufen, Spitzen, aber auch bestimmteBereiche sphärischer Teilchen hell.Eine Abbildung der Oberfläche ist auch mit denelastisch rückgestreuten Elektronen (backscatteredelectrons, BSE) möglich, jedoch mit etwas schlechtererAuflösung als mit den SE. Da die Zahl derBSE stark von der chemischen Zusammensetzungdes betreffenden Probenbereiches abhängt, erhältman im Bild Materialkontrast, das heißt, chemischunterschiedliche Phasen sind im Bild als Bereicheunterschiedlicher Helligkeit sichtbar.Peter PöltTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazEs ist eine Auflösung von einigen nm erreichbar,wobei die tatsächlich erreichbare Auflösung imWesentlichen etwas vom Material, vom Gerätetypund von der Elektronenenergie abhängt. Von denHerstellern werden Grenzwerte zwischen etwa 1– 5nm angegeben.Methoden:Lösungen:Institute:Kontakte:M13 | M26L22 | L29 | L30I4 | I3 | I10K34chemische Zusammensetzung | Materialkontrast | Oberflächen | RasterelektronenmikroskopieREM | Sekundärelektronen72Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenAbbildung 1:M28: Rasterkraftmikroskopie (AFM)M28: Rasterkraftmikroskopie(AFM)Die Rasterkraftmikroskopie gehört zur Familieder Rastersondenmikroskopien, bei denen – wie esdie beiden ersten Teile des Namens verdeutlichen– eine feine Sonde in sehr kleinen Schritten übereine Oberfläche gerastert wird. Im Gegensatz zu derzunächst entwickelten Rastertunnelmikroskopie,deren Einsatz auf leitende bzw. halbleitende Oberflächenbeschränkt ist, kann die 1986 entwickelteRasterkraftmikroskopie (englisch: Atomic ForceMicroscopy, AFM) auch auf isolierende Oberflächenangewendet werden. In Abb. 1 ist das Messprinzipillustriert. Die Sonde, z.B. eine Pyramidenspitze,befindet sich an einem filigranen Biegebalken, derim einfachsten Falle die Sonde auf die Oberflächedrückt. Die Änderung der Balkenverbiegung, diemittels Lichtzeigermethode detektiert werden kann,gibt Auskunft über Höhenunterschiede zwischenbenachbarten Punkten auf der Oberfläche. DasMessprinzip der Rasterkraftmikroskopie:Der Laserstrahl wird von demBiegebalken auf eine positionsempfindlichePhotodiode reflektiert. Der Piezoscannerrastert die Probe lateral (x,y)und verschiebt die Probe in z-Richtungso, dass immer die gleiche Durchbiegungdes Biegebalkens gewährleistetHerzstück eines jeden Rastersondenmikroskops istder piezoelektrische Scanner, der durch Anlegeneiner elektrischen Spannung eine Längenänderungerfährt. Damit wird eine definierte RelativbewegungSonde – Probenoberfläche bis hin zu Abständenunterhalb eines Nanometers möglich.Die laterale Auflösung der Methode wird wesentlichdurch die Geometrie der Sonde bestimmt.Die entscheidenden Parameter sind der Radius derSpitze und der halbe Öffnungswinkel (Abb. 2a). Jekleiner beide Größen sind, desto weniger verfälschtdie endliche Ausdehnung der Sonde die gemesseneOberflächentopographie. Zur Verbesserungder Auflösung wird auf herkömmlichen Si-Sonden(r ≈ 10 – 20 nm, α = 10°) eine Kohlenstoffnadelmit r ≤ 5 nm und a ≤ 5° gewachsen (Abb. 2b). Wieman leicht sieht, wäre eine lineare Kette von Atomendie ideale Sonde. Mit den 1992 entdeckteneinwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen lässt sichder Idealzustand zumindest hinsichtlich des Öffnungswinkelsbereits erzielen (Abb. 2c).Abbildung 2:(a) Geometrie-Parameter einer AFM-Sonde: Spitzenradius r und halberÖffnungswinkel α. (b) KonventionelleSi-Spitze (r ≈10 – 20 nm, α = 10°), aufder eine Kohlenstoffnadel mit r = 5 nmund α = 5° gewachsen wurde. (c) Modelleines Kohlenstoff-Nanoröhrchens,r = 2 nm, α = 0°.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200573

M28: Rasterkraftmikroskopie (AFM)Durch das Abtasten der Oberfläche wird einedreidimensionale Topographieinformation z(x i ,y i )gewonnen. Daraus lässt sich zum einen die Rauigkeitder vermessenen Oberfläche quantitativ charakterisieren,und zwar bis zu vertikalen Rauigkeitenauf der Zehntel-Nanometer-Skala. Andererseits erlaubendie digitalen Daten mittels der Analyse derFouriertranformation der Oberflächentopographiez(x i ,y i ) die Bestimmung der Größen- und Formverteilungder vermessenen Nanostrukturen in Analogiezu Beugungs- und Streu-Messmethoden.Ursprünglich wurde die Abtastung unter ständigemKontakt von Sonde und Probe (Contact Mode)durchgeführt, wobei allerdings die auftretendenLateralkräfte zwischen Sonde und Probe zu einerBeschädigung der untersuchten Oberfläche odereiner schnellen Abnutzung der verwendeten Sondeführen kann. Beim so genannten Tapping Modewird der Biegebalken mittels eines Piezokristallsnahe seiner Resonanzfrequenz (≈100 kHz) zu Oszillationenangeregt. Die Dämpfung des Biegebalkensin Probennähe wird wiederum mittels Lichtzeigermethodezur Höhendetektierung eingesetzt. DieseMethode ist wesentlich probenschonender undverlängert die Lebensdauer der eingesetzten Sonde,was speziell bei den superscharfen Kohlenstoff-Sonden einen nicht unerheblichen Kostenfaktordarstellt. Durch Messung der Phasenverschiebungzwischen Anregungsschwingung und Oszillationdes Biegebalkens lassen sich die visko-elastischenEigenschaften der Probe zumindest qualitativ ermitteln,wodurch eine Unterscheidung harter undweicher Oberflächenbereiche möglich wird.Das Prinzip der Rasterkraftmikroskopie ist universelleinsetzbar, es funktioniert unter Umgebungsbedingungengleichermaßen wie in Flüssigkeitenoder im Ultrahochvakuum. Funktionalisiert man dieSonden entsprechend, kann man mit ihnen z.B.auch magnetische, elektrische und mechanischeEigenschaften auf der Nanometerskala detektieren,was dann zu Methoden wie der Magnetkraftmikroskopie,der Leitfähigkeitsrasterkraftmikroskopie undder Nanoindentierung führt. Die Rasterkraftmikroskopielässt sich auch als Werkzeug einsetzen, umNanostrukturen gezielt zu erzeugen. Gegenwärtigwerden zwei-dimensionale Anordnungen mit mehrals 1000 Sonden entwickelt, um die Rastersondenmikroskopie-gestützteNanostrukturierung parallelund damit effizient durchführen zu können.Christian TeichertMontanuniversität LeobenInstitut für PhysikMethoden: M19 | M20 | M29 | M31Lösungen:L2 | L26Institute:I12 | I3 | I10 | I11Kontakte:K46AFM | Contact Mode | Oberflächenmorphologie | OberflächenrauigkeitRasterkraftmikroskopie | Tapping Mode74Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM29: Rasterkraftmikroskopie (AFM) – Phase ImagingM29: Rasterkraftmikroskopie(AFM) – Phase ImagingDas Phasensignal – die Phasenverschiebungzwischen Anregung und angeregter Cantilever-Schwingung im Tappingmode des Rasterkraftmikroskops(synonym Atomkraftmikroskops) – bietetverglichen mit der Topographie (Höhensignal)oftmals zusätzliche Informationen über die Probenbeschaffenheit.Die Datenerhebung beim Tappingmode,bei dem der Cantilever zusätzlich zurRasterbewegung durch ein Piezoelement zu einerkHz-Schwingung angeregt wird, erfolgt wie inAbb. 1 dargestellt.Der Tappingmode wurde in erster Linie zur Vermeidungvon Oberflächen-Beschädigungen entwickelt,die im Kontaktmodus vor allem bei der Messungvon weichen Proben immer wieder auftreten.Zusätzlich zur Höheninformation erhält man auchein Phasensignal, das sich aus der Phasenverschiebungzwischen der Anregungsschwingung unddem Feedbacksignal des Photodetektors ergibt.Im Phasenbild sind auch Änderungen verschiedenerphysikalischer Oberflächen-Parameter wieElastizität / Viskoelastizität, Oberflächenspannungund Haftung darstellbar.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Schematische Darstellung des Phase Imaging am Rasterkraftmikroskop.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 200575

M29: Rasterkraftmikroskopie (AFM) – Phase ImagingWird ein oszillierender Cantilever in die Näheder Probenoberfläche gebracht, ändern sich seineSchwingungsparameter durch die Wechselwirkungzwischen Spitze und Probe (tip-sampleinteraction). Ein frei schwingender Cantilever istdurch seine Elastizitätskonstante k, die Masse mund einen Qualitätsfaktor Q charakterisiert. SeineResonanzfrequenz ω₀ ist von k und m folgendermaßenabhängig: Abhängig von der Schwingungsfrequenz ω ergibtsich für den Phasenwinkel ϕ (im Bogenmaß) für die freie Schwingung: Als eine Funktion von ω variiert dieser Phasenwinkelstark in der Nähe der Resonanzfrequenz. Er ist π/2 bei ω = ω₀, < π/2 bei Frequenzen kleiner als die Resonanzfrequenzund > π/2 darüber. Die Änderung der Schwingungsparameter in der Nähe der Probenoberfläche kann in erster Näherungdurch eine Änderung derElastizitätskonstantedes Cantilevers beschrieben werden. Es ergibt sicheine effektive Elastizitätskonstante k eff = (k+σ), wobeiσ für die Summe aller Kraftänderungen (∂F i /∂z)steht, die in der Nähe der Probe auf den Cantilever wirken. z repräsentiert den relativen Abstand zwi-schen Spitze und Probenoberfläche. Das Vorzeichen der Phasenänderung korrespondiertmit dem der Summe aller Kraftänderungenσ, die Phasenänderung ist also beispielsweise dannpositiv, wenn die Summe der Kraftänderungen aufden Cantilever repulsiv (abstoßend) ist und negativim Fall einer attraktiven (anziehenden) Kraftwirkung.In einigen Arbeiten konnte gezeigt werden, dassdas Signal der Phasenänderung u.a. auch Informationenüber die Elastizität oder die Härte der Probeenthält. Bei einem Kontakt zwischen Spitze undProbe ist die Summe der Kraftänderungen auch von den Young´s Moduli E₁ und E₂ der beiden beteiligten Materialien (d.h. der Spitze und der Probe) abhängigund kann für einen permanenten Kontakt durch S = Oberflächensteifigkeit a = Radius einer angenommenen zirkularenBerührungsfläche zwischen Spitze undProbeε = Zahl zwischen 1,9 und 2,4 [3]v = Querkontraktionszahl (Poisson’s ratio)beschrieben werden. Für σ

M29: Rasterkraftmikroskopie (AFM) – Phase ImagingWeiterführende Literatur[1] S. N. Magonov, V. Elings, M. H. Whangbo(1997) „Phase imaging and stiffness in tapping-modeatomic force microscopy”. SurfaceScience 375, L385 – 91.[2] M. J. D’Amato, M. S. Marcus, M. A. Eriksson,R. W. Carpick (2004) „Phase imagingand the lever-sample tilt angle in dynamicatomic force microscopy”. APL Vol. 85(20),4738 – 40.[3] Kendall K, Tabor D (1971) „An ultrasonic studyof the area of contact between stationaryand sliding surfaces“. Proc. R. Soc. A323,321– 40.[4] S. Morita, R. Wiesendanger, E. Meyer (Eds.)(2002) „Noncontact atomic force microscopy“.Springer-Verlag, Heidelberg, 439 Seiten.[5] E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz (2004)„Scanning probe microscopy – The lab on atip“. Springer-Verlag, 210 Seiten.Ursula HaasJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialien und PhotonikMethoden:M28 | M19Lösungen:L2Institute:Kontakte:I10K13AFM | Oberflächenelastizität | Phase Imaging | Phasensignal | Rasterkraftmikroskopie | Tapping Mode78Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM30: Rastertransmissionselektronenmikroskopie(STEM)M30: Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM)Die Rastertransmissionselektronenmikroskopie(Scanning Transmission Electron Microscopy,STEM) ermöglicht die Charakterisierung vonWerkstoffen im Hinblick auf ihre Morphologie,Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung.Ergänzend zur Bildentstehung im TEM bietet dasSTEM zusätzliche Möglichkeiten für die Kontrastentstehung.Ähnlich wie im Rasterelektronenmikroskop(SEM) wird ein sehr feiner, auf die Probenebenefokussierter Elektronenstrahl von Ablenkspulenzeilenförmig über eine durchstrahlbar dünne Probegeführt und die von jeder Position gestreutenElektronen für die Bilderzeugung verwendet. ImSTEM-Betrieb wird das in der hinteren Brennebeneder Objektivlinse liegende Beugungsbild auf dieAbbildung 1:STEM-Detektoren und deren Anordnungrelativ zum Beugungsbild.Index Kontakte Institute Lösungen Methodena) b)Abbildung 2:STEM-Bilder eines Silizium-Einkristalls: a) BF, b) HAADF.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 200579

M30: Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM)a) b)Abbildung 3:STEM-Bilder von Titanoxid-Partikeln in einer Niob-Matrix. Während in Hellfeldbetrachtung (a) Beugungskontrastedominieren, kann die örtliche Variation der mittleren Ordnungszahl im HAADF-Bild (b) eindeutigsichtbar gemacht werden.STEM-Detektoren abgebildet, wobei durch denauf die Probe fokussierten Strahl ein konvergentesBeugungsbild (CBED) zu beobachten ist (Abb. 1).Die Größe des abgerasterten Bereiches definiert dieVergrößerung, die umso höher ist, je kleiner dieserBereich wird. Die räumliche Auflösung wird durchden Strahldurchmesser bestimmt, der im Bereich0,2 nm und kleiner liegen kann.elastischer Streuung am Atomkern in größere Winkelgestreut werden, können mit einem ringförmigenHAADF-Detektor registriert werden (Abb. 2b).Da die Streuwinkel u.a. mit der Kernladungszahl(Z-Abhängigkeit) zunehmen, besteht mit diesemGrundsätzlich kann zwischen verschiedenenDetektoranordnungen und Detektortypenunterschieden werden, die sich in der winkelabhängigenSelektion der gestreuten Elektronenunterscheiden (Abb. 1). Als wichtigste finden derOn-axis-Hellfeld(bright-field, BF)- und der Weitwinkel-Dunkelfeld(high-angleannular dark-field,HAADF)-Detektor Verwendung. Am kreisförmigenHellfeld-Detektor werden überwiegend in kleineWinkel gestreute (elastische) Elektronen detektiert,wodurch Beugungskontraste wie Biege- undDickenkonturen erhalten und Kristallstrukturparameterabgeleitet werden können (Abb. 2a, 3a).Elektronen, die hingegen als Folge inkohärenterAbbildung 4:Hochaufgelöstes HAADF-STEM-Bildeiner Siliziumeinkristallprobe in [110]-Orientierung.80Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M30: Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM)Verfahren die Möglichkeit, Kontraständerungen fokusunabhängigdirekt als Funktion des streuendenElementes bei gleichzeitig hoher Ortsauflösung aufzuzeichnen(Z-Kontrastabbildungen, Abb. 3b, 4).Ein weiterer wesentlicher Vorteil von HAADF-STEM liegt in der Kompatibilität mit den beidenanalytischen Verfahren EELS (Elektronenenergieverlustspektroskopie)und EDXS (EnergiedispersiveRöntgenspektroskopie). Da der ungebeugte bzw.nur in sehr kleine Winkel gebeugte Elektronenstrahlnicht für die Bildgebung verwendet wird und somitdirekt in das unter dem Detektor liegende Energieverlustspektrometergelenkt werden kann, ergibtsich die Möglichkeit zur simultanen Aufnahme vonEELS-Spektren. Nach der Bildgenerierung kannder Strahl auf einem beliebigen Strukturdetail imBildausschnitt positioniert werden, und anschließendkönnen komplette Energieverlust- aber auchRöntgen-Spektren von bestimmten Punkten, entlangvon Linien oder innerhalb rechteckiger Bereicheaufgezeichnet werden (Spectrum Imaging,Abb. 5).Gerald Kothleitner, Werner Rechberger, Werner GroggerTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazAbbildung 5:Methoden:Analytische Techniken EDXS und EELSin Kombination mit HAADF-STEM.M2 | M8 | M10 | M17Lösungen: —Institute:Kontakte:EDXS | EELS | Elektronenenergieverlustspektroskopie | Energiedispersive RöntgenspektroskopieHochauflösung | Rastertransmissionselektronenmikroskopie | Spectrum Imaging | STEMI4K21Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200581

MethodenM31: Rastertunnel mikroskopie (RTM / STM)M31: Rastertunnelmikroskopie(RTM / STM)Im Rastertunnelmikroskop (RTM, oder engl.Scanning Tunneling Microscope, STM) wird dasabzubildende Objekt auf einer Oberfläche mit einerfeinen Metallspitze abgetastet (Abb. 1). Wird dieSpitze nahe, d.h. in den Abstand ≤ 1 nm, an dieProbe gebracht und wird eine kleine Spannung(einige Millivolt bis Volt) zwischen der Spitze undder Probe angelegt, so fließt ein kleiner Strom.Dieser Strom (typisch einige Nanoampère) wirdTunnelstrom genannt, da er auf Grund des quantenmechanischenTunneleffekts entsteht. Die enormevertikale (und auch laterale) Auflösung des RTMsist dadurch erklärbar, dass der Tunnelstrom exponentiellvom Abstand zwischen Probe und Spitzeabhängt: Wenn der Abstand um 0,1 nm verändertwird, verändert sich der Tunnelstrom um das 10-fache. Der Tunnelstrom kann als Regelgröße imRTM verwendet werden, wobei er in einem Rückkopplungskreisvon der Steuerelektronik durchVeränderung des Abstandes zwischen Spitze undProbe konstant gehalten wird. Auf diese Weisewerden Höhenänderungen an der Oberfläche inHöhenänderungen der Abtastspitze über der Probeumgesetzt. Wird die Spitze mit Hilfe eines Piezoelementesrasterförmig über die Oberfläche bewegtund der Abstand Spitze-Probe als Funktion derPosition aufgezeichnet, so entsteht ein Abbild derOberflächentopographie, die mit atomarer Auflösungdargestellt werden kann.die Änderung des Tunnelstromes gemessen wird.In der Regel findet der „Konstant-Strom-Modus“Anwendung. Hier wird die Spitze an jeder lateralenPosition auf einen konstanten Tunnelstromeingestellt. Als Messwert dient der Abstand, umden sich die Spitze an die Probe annähern odervon ihr entfernen muss, um den Tunnelstrom konstantzu halten. Eine weitere Meßmethode ist der„Spektroskopie-Modus“. Bei dieser Betriebsartwird an jedem lateralen Messpunkt die Variationdes Tunnelstroms mit der angelegten Spannungaufgezeichnet (Strom-Spannungs-Kennlinie). DerSpektroskopie-Modus ermöglicht die Messung derlokalen elektronischen Eigenschaften einer Probe,d.h. die Bestimmung der elektronischen Strukturbis auf atomares Niveau.Bei Rastertunnelmikroskopen können dreiverschiedene Messmodi unterschieden werden:Beim „Konstant-Höhen-Modus“ rastert die Spitzein konstanter Höhe über eine Probe, währendAbbildung 1:Schematische Darstellung der Funktionsweiseeines Rastertunnelmikroskops.82Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M31: Rastertunnel mikroskopie (RTM / STM)Rastertunnelmikroskope können in Vakuum, anLuft und sogar in Flüssigkeiten betrieben werden.Um höchste atomare Auflösungen zu erreichen undungewollte Einflüsse von Fremdstoffen zu vermeiden,werden RTM-Messungen zumeist im Ultrahoch-Vakuumdurchgeführt. Die heute erzielbareAuflösung in Rastertunnelmikroskopen liegt in lateralerRichtung bei 10 pm, in vertikaler Richtung beibis zu 1 pm. Limitierende Faktoren sind die Stabilitätder Rastereinheit gegenüber akustischen Schwingungen,die Stellgenauigkeit der Piezoelemente, dieBeschaffenheit der Spitze sowie die Genauigkeit beider Messung des Tunnelstroms.Die Rastertunnelmikroskopie hat sich in denletzten Jahren zur wichtigsten Methode für dieCharakterisierung von Nanostrukturen entwickelt.Das RTM bietet die Möglichkeit periodische undAbbildung 2:Atomar aufgelöstes RTM-Bild einerneuartigen V 2 O 3 -Oxidphase auf einerPd(111)-Oberfläche.aperiodische elektronische, topographische, optischeoder magnetische Strukturen mit bis zu atomarerAuflösung zu untersuchen. Von besonderemInteresse im Hinblick auf praktische Anwendungen,beispielsweise in der heterogenen Katalyseoder in einer zukünftigen Nanoelektronik, ist dieUntersuchung der Oberflächen von ultra-dünnenOxidschichten (nur wenige Nanometer dick) mitatomarer Auflösung. Abb. 2 zeigt als Beispiel eineRTM-Aufnahme einer dünnen Vanadiumoxidschichtmit der formalen Stöchiometrie V 2O 3auf einerPd(111) Oberfläche, die eine neuartige Strukturaufweist [1].Literatur[1] S. Surnev, L. Vitali, M. G. Ramsey, F. P. Netzer,G. Kresse, J. Hafner (2000) „Growth andstructure of ultrathin vanadium oxide layers onPd(111)”. Phys. Rev. B 61, 13945 – 54.Svetlozar Surnev, Michael Ramsey, Falko NetzerKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Oberflächen- und GrenzflächenphysikMethoden:M28Lösungen:L32Institute:I11 | I8 | I10 | I12Kontakte:K45Index Kontakte Institute Lösungen MethodenNanoelektronik | Oberflächentopographie | Piezoelement | Rastertunnelmikroskopie | STMTunneleffekt | Tunnelstrom | VanadiumoxidHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200583

MethodenM32: Röntgen- und Ultraviolett-PhotoelektronenspektroskopieM32: Röntgen- und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie(XPS und UPS)Die Photoelektronenspektroskopie beruht aufdem photoelektrischen Effekt: durch Absorptionvon Photonen (mit Energie hν) werden aus Atomen,Molekülen oder Festkörpern Elektronen herausgelöst,deren kinetische Energie bestimmt wird:Die inelastische mittlere freie Weglänge vonPhotoelektronen im Festkörper ist eine Funktionihrer kinetischen Energie und liegt zwischen 0,5 und5 nm. Hieraus resultiert die hohe Oberflächenempfindlichkeitder Photoelektronenspektroskopie.E kin = hν – E bindDie Energie E kin der emittierten Photoelektronenhängt also von der zugehörigen BindungsenergieE bind der betroffenen Elektronenschale ab und istdaher für jedes Element charakteristisch (Abb. 1,2a). Je nach Anregungsquelle unterscheidet manzwischen XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy,Anregung mit Röntgenstrahlung, hν > 100 eV)und UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy,Anregung mit UV Strahlung, hν < 100 eV). Ein hemisphärischerElektronenenergieanalysator misstdie kinetische Energie der emittierten Elektronen(Abb. 2b) und erzeugt somit ein Energiespektrumdieser Elektronen (Abb. 1). Eine genaue Analyse diesesEnergiespektrums ermöglicht Aussagen überdie atomare Konzentration der an der Oberflächevorliegenden Elemente. Man bezeichnet diesesVerfahren auch oft mit dem Kürzel ESCA („ElectronSpectroscopy for Chemical Analysis“).Ferner hängen die Bindungsenergien auch vomBindungspartner eines Elements ab („chemischeVerschiebung“), so dass durch die energetischeVerschiebung häufig der Bindungszustand einesElements bestimmt werden kann.Abbildung 1:Energiediagramm des XPS/UPS-Prozesses;links unten: Energieniveau-Diagramm;rechts oben: entsprechendesPhotoemissionsspektrum.84Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M32: Röntgen- und Ultraviolett-PhotoelektronenspektroskopieAnwendungsmöglichkeitenDas Verfahren wird in verschiedensten Bereichender Industrie und Forschung zur Analyse vonFestkörperoberflächen eingesetzt. Die folgendenBeispiele sind eine Auswahl aus dem breiten Anwendungsspektrum:OberflächenveredelungHaftproblemeKorrosionKatalysator-VergiftungenMedizinische ImplantateDie Probe sollte prinzipiell vakuumverträglich sein.Svetlozar Surnev, Michael Ramsey, Falko NetzerKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Oberflächen- und GrenzflächenphysikAbbildung 2:Methoden:Lösungen:Institute:Kontakte:(a) Photoemissionsprozess. (b) SchematischerAufbau eines XPS/UPS-Instruments.Bindungsenergie | chemische Verschiebung | Elektronenanalysator | ESCAOberflächenempfindlichkeit | Photoelektronenspektroskopie | Röntgenstrahlung | UPSUV-Strahlung | XPS(a)(b)M41L8 | L16 | L43I11 | I8K32Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200585

MethodenM33: Röntgenbeugung – Linienprofilanalyse (XRD LPA)M33: Röntgenbeugung –Linienprofilanalyse (XRD LPA)Zur die Bestimmung der Kristallgrößen undMikroverzerrungen von nanoskaligen Materialiendient die Methode der Weitwinkel-Röntgenbeugung(WAXS). Als sehr vielseitige Untersuchungsmethodeliefert diese sowohl Information über dieZusammensetzung und Kristallstruktur der Probe– aus der Lage der Röntgenreflexe – als auch überdie Verzerrungen und die Korngröße aus der Verbreiterungder Röntgenlinien.In nanokristallinen Materialien trägt auf Grundder geringen Korngröße nur eine begrenzte Anzahlvon Netzebenen (ca. 10 bis 100) zur Beugung derRöntgenstrahlen bei. Hierdurch kommt es – in Analogiezur Beugung am Gitter – zu einer Verbreiterungder Röntgenlinien. Neben der begrenzten Kristallitgrößeführen Verzerrungen zu einer Verbreiterungder Braggreflexe. Aus der Variation der integralenLinienbreite β mit dem Betrag des Streuvektorss = 2 sinθ / λ (θ … Wellenlänge; λ … Beugungswinkel)können gemäß Williamson-Hall die Anteileder volumengemittelten Korngröße D V und der Mikroverzerrungen an der Linienverbreiterungermittelt werden (s. Abb. 1). Darüber hinaus könnenweitere verbreiterungswirksame Mechanismen wieStapelfehler in Metallen berücksichtigt werden. DieMessungen werden in Bragg-Brentano-Geometriean ebenen oder pulverförmigen Proben durchgeführt.Abbildung 1:Bestimmung von Kristallitgröße D VundMikroverzerrungen in kubisch-flächenzentrierten(fcc) Metallen aus derVariation der integralen Linienbreite mitdem Streuvektor s nach Williamson-Hall (schematisch). a.u. … arbitraryunits, d.h. beliebige Einheiten.86Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M33: Röntgenbeugung – Linienprofilanalyse (XRD LPA)Weiterführende Literaturallgemein[1] H. P. Klug, L. E. Alexander (1974) „X-raydiffraction procedures for polycrystalline andamorphous materials”. John Wiley and Sons,New York. 992 Seiten.Messbeispiel an nanokristallinem Material[2] K. Reimann, R. Würschum (1997) „Distributionof internal strains in nanocrystalline Pdstudied by x-ray diffraction“. J. Appl. Phys. 81,Methoden: M34 | M35 | M367186 – 92.Lösungen: —Institute:I9 | I3 | I15Ulrich Brossmann, Roland WürschumTechnische Universität Graz Kontakte:K3Institut für MaterialphysikKristallitgröße | Kristallstruktur | Linienverbreiterung | Mikroverzerrungen | nanokristalline MaterialienPhasenanalyse | Röntgenbeugung/diffraktion | WAXS | XRD-LPAIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200587

MethodenM34: Röntgenbeugung – Polfigurtechnik (XRD-PF)M34: Röntgenbeugung – Polfigurtechnik(XRD-PF) – eineMethodik zur Charakterisierungder kristallinen Orientierungvon ein- und zweidimensionalenNanostrukturenAus dem großen Gebiet der Röntgendiffraktometrie(X-ray diffraction, XRD) ist die Methodikder Polfigurtechnik zwischen der klassischen Pulverdiffraktometrieund der Einkristalldiffraktomtrieangesiedelt. Mit dieser Methode bestimmt manKristallit-Orientierungen in einem Festkörper. Alsklassische Technik in der Materialforschung kanndiese Methodik auch auf ein- und zweidimensionaleNanostrukturen angewendet werden.Das Entstehen eines Interferenzmaximums beider Beugung von Röntgenstrahlung an einem dreidimensionalenperiodischen Gitter (dem Kristallgitterdes Festkörpers) ist durch die Laue-Gleichunggegeben:mit λ als Wellenlänge der verwendeten Röntgenstrahlung,d hkl als Abstand zwischen den Netzebenenhkl und 2Θ als Streuwinkel (Winkel zwischenden Richtungen des Primärstahles und des gestreutenStrahles). Der Vektorcharakter der Laue-Gleichung bedingt, dass der Streuvektor normalauf die streuende Netzebene sein muss.Eine einzelne Polfigur basiert auf dem Festsetzender Bragg-Bedingung (fixierter Streuwinkel 2Θ)und der Variation der Richtung des Streuvektors imgesamten Orientierungsraum und der Messung dergestreuten Intensität (s. Abb. 1, links). Durch dasFestsetzen des Streuwinkels wird die Untersuchungs = R hkl mit s = k – k 0wobei s den Streuvektor, k und k 0 den Wellenvektordes gestreuten bzw. des primären Strahlesund R hkl einen reziproken Gittervektor darstellt.In der Anwendung der Polfigurtechnik wird dieLaue-Gleichung in zwei separate (notwendig zuerfüllende) Gleichungen zerlegt: Der Absolutwertder Vektorgleichung|s| = |R hkl |ergibt die Bragg-Bedingungλ = 2 d hkl sinΘAbbildung 1:Messgeometrie für eine Röntgendiffraktometrie-Polfigur(links). Das Ergebniseiner einzelnen Polfiguruntersuchungwird mittels Konturlinien als Funktionder Goniometerwinkel ψ und φ dargestellt(rechts).88Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M34: Röntgenbeugung – Polfigurtechnik (XRD-PF)auf einen einzigen Netzebenenabstand d hkl reduziert.Die Variation des Streuwinkels wird durch einesystematische Änderung der Goniometerwinkel ψund φ zu jeder möglichen Kombination von ψ und φim Bereich ψ = 0 … 90° und φ = 0 … 360° erreicht.Für jedes ψ /φ -Paar wird die gestreute Intensitätgemessen. Ein Messergebnis wird in einem kreisförmigenDiagramm unter der Angabe der Intensitätin Konturlinien dargestellt. Richtungen mit hoher Intensitätwerden mit „erhöhter Poldichte“ (enhancedpole densities) bezeichnet (s. Abb. 1, rechts).Mehrere Polfiguren können durch die Variationder Bragg-Bedingung gemessen werden (s. Abb. 2,links). Die Zusammensetzung der Informationen ausden einzelnen Polfiguren führt zu Orientierungsfunktionenwie „inversen Polfiguren“ oder der „OrientationDistribution Function“.In der Nanoanalytik wird die Polfigurtechnik zureindeutigen Bestimmung der Kristallorientierungin dünnen Filmen verwendet. Die Orientierung vonkleinsten Kristalliten in dünnen Filmen gibt Auskunftüber Wachstumsmechanismen der Kristalliteauf Oberflächen. Die Röntgendiffraktometrie-Polfigurtechnik ist keinesfalls als Konkurrenz zuMethoden der Eletronendiffraktometrie zu sehen,vielmehr bietet die Polfigurtechnik durch die hoheWinkelauflösung, die gleichzeitigen Möglichkeit derUntersuchung von Substrat und Film, die Zerstörungsfreiheitder Methodik und durch den integralenCharakter einen anderen Zugang zur Charakterisierungvon Nanokristalliten auf Oberflächen.Weiterführende Literatur[1] L. Alexander (1979) „X-Ray Diffraction Methodsin Polymer Science“. Krieger Publishing,New York. 582 Seiten.[2] I. Salzmann, R. Resel (2004) „STEREOPOLE:software for the analysis of x-ray diffractionpole figures with IDL“. Journal of Applied Crystallography37, 1029 – 33.Abbildung 2:Methoden:Thomas Haber, Roland ReselTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikEin Satz von vier Polfiguren von einer100 nm dicken Schicht des organischenHalbleiters Sexiphenyl (C 36 H 26 ),gewachsen auf einem Glassubstrat(links). Die aus den Polfiguren abgeleiteteOrientierung der Moleküle relativzu dem Glassubstrat, dargestellt ineiner Frontal- und einer Seitenansicht(rechts).M33 | M35 | M36Lösungen: —Institute:Kontakte:I8 | I3 | I15K38Index Kontakte Institute Lösungen MethodenKristallorientierung | Polfigur | Röntgenbeugung/diffraktion | Röntgendiffraktometrie | WAXS | XRD-PFHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200589

MethodenM35: Röntgenkleinwinkel- und -weitwinkelstreuungM35: Röntgenkleinwinkelund-weitwinkelstreuung(SAXS und WAXS)Röntgenkleinwinkelstreuung(SAXS)Röntgenkleinwinkelstreuung (Small-Angle X-rayScattering, SAXS) tritt immer dann auf, wenn einBündel von Röntgenstrahlen mit etwa 0,1 nm Wellenlängeauf ein Material (flüssig, fest) trifft, dasInhomogenitäten aufweist, die größer als die verwendeteWellenlänge sind. Die Intensitätsverteilungdieser Streustrahlung als Funktion des Streuwinkels,kann mittels eines geeigneten Detektors gemessenwerden und enthält Information über dieStruktur dieser Inhomogenitäten.Der typische, durch SAXS erfassbare, Größenbereichfür diese Inhomogenitäten liegt zwischen1 nm und 100 nm – damit ist SAXS für die Untersuchungvon Nanostrukturen bestens geeignet.Dieser Bereich deckt nämlich den Größenbereichvieler biologisch und technologisch relevanter Nanostrukturenab – (Bio-)Polymere, Flüssigkristalle,nanoporöse Materialien, Mikroemulsionen, Nanokompositesind einige Beispiele.Die physikalische Grundlage der Strukturbestimmungdurch SAXS bildet das Bragg’sche Gesetzn∙λ = 2d∙sin(θ)Die Anwendbarkeit der Methode auf viele verschiedeneFragestellungen bedingt ein breitesSpektrum an Formalismen, die diesen Fragestellungenangepasst sind. Die Fachliteratur bietet eineUnzahl solcher Formalismen, in der Praxis reduziertsich der Aufwand allerdings auf einen überschaubaren,automatisierbaren Satz an Berechnungen, diezur Beschreibung der entsprechenden Parameterund Funktionen benötigt werden.Röntgenweitwinkelstreuung(WAXS)Simultan zu SAXS kann WAXS (Wide-Angle X-Ray Scattering) (→ SWAXS) eingesetzt werden, umneben der nanostrukturellen Information auch diekristalline Struktur zu untersuchen, die bei vielennanostrukturierten Materialien von Bedeutung ist.Strukturelle Änderungen wirken sich oft simultan inbeiden Größenbereichen aus, und es ist daher wünschenswert,auch beide simultan zu studieren.wobei n eine ganze Zahl (die Ordnung des Reflexes)ist, λ die Wellenlänge und θ der halbe Streuwinkel(Abb. 1). Es besagt, dass die Größe eines streuendenObjektes umgekehrt proportional zum Winkelist, bei welchem die Streustrahlung auftritt (Reziprozitätsprinzip).90Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M35: Röntgenkleinwinkel- und -weitwinkelstreuungAbbildung 1:Schematische Darstellung der Methode der Röntgenkleinwinkelstreuung.Typologie der Information ausSAXSMonodisperse PartikelsystemeStreumassenradius des Partikels – generellerGrößenparameterPartikelform in Lösung (flüssig, fest) aus Vergleichmodellierter/experimenteller StreukurveRadiale Elektronendichteverteilung (Mizellen)Molekulargewicht des Partikels, proLängen-/FlächeneinheitKonzentrierte LösungenStrukturfaktor der Lösung, interpartikuläreräumliche KorrelationPolymerein Lösung: Persistenzlänge, Verknäuelungsgradfest: Domänenstruktur (kristallin /amorph),GitterstrukturFlüssigkristalleGittersymmetrie und – dimensionenAusmaß und Art der Ungeordnetheit überlängere DistanzenPulverSpezifische innere Oberfläche (Oberfläche /Volumen) der InhomogeitätenFraktaler Exponent bei fraktalen SystemenIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200591

M35: Röntgenkleinwinkel- und -weitwinkelstreuungAbbildung 2:Drei charakteristische Streubilder: Für verschiedenartige, isotrope (d.h. nicht makroskopisch orientierte)Systeme treten charakteristisch unterschiedliche Streubilder auf. LC … Liquid Crystals, Flüssigkristalle.AnwendungenForschungHier wird SAXS als Werkzeug zur Untersuchungvon makro- und supermolekularen Strukturen genutzt.Die Methode ist nicht-invasiv, was bedeutet,dass Proben in ihrer ‚natürlichen’ Umgebung bzw.unter funktionsrelevanten chemischen und physikalischenBedingungen studiert werden können.ProduktentwicklungSAXS kann zur Beurteilung der strukturellenQualität von Nanostrukturen herangezogen werden.Die Methode hat bei Vergleichen großenWert, da sie sensitiv auf geringe Änderungen inder Nanostruktur reagiert. So können chemischeProzesse, wie frühe Stadien der Kristallisation oderstrukturelle Veränderungen als Folge von Änderungender Umgebungsbedingungen, in situ studiertwerden, wobei die zeitliche Auflösung mit geeignetenLaborinstrumenten (z.B. HECUS System-3)im Sekunden- bis Minutenbereich liegt, ohne dassdafür Synchrotronstrahlungsquellen unabdingbarwären. In solchen Fällen ist auch ein hohes Maß anAutomatisierbarkeit der Messfolge essentiell.QualitätskontrolleAuch hier ist ein hohes Maß an Automatisierungund Standardisierung die Voraussetzung dafür,dass SAXS in der Qualitätskontrolle – insbesonderebei qualitätsrelevanten Nanostrukturen – außerordentlichwertvolle Dienste leistet.92Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M35: Röntgenkleinwinkel- und -weitwinkelstreuungOnline-Prozessüberwachung und-steuerung in EchtzeitHier ist ebenfalls ein hohes Maß an Automatisierungund einfachste Konfiguration der MessinstrumenteVoraussetzung für die Steuerung vonProduktionsprozessen, in denen nanostrukturelleParameter von Bedeutung sindPeter M. AbujaHECUS XRS GmbHMethoden:Lösungen:Institute:Kontakte:Automatisierung | Biopolymer | Bragg’sches Gesetz | DomänenstrukturElektronendichteverteilung | Flüssigkristalle | Formfaktor | Fraktaler ExponentM14 | M33 | M34M36 | M38 | M40L7 | L9 | L24L28 | L33 | L35I5 | I1 | I3 | I6 | I8 | I15Gitterstruktur | Mikroemulsion | Molekulargewicht | Nanokomposit | nanoporösNanostrukturen | Oberfläche, innere | Partikelform | Persistenzlänge | PolymereRöntgenkleinwinkelstreuung | Röntgenweitwinkelstreuung | SAXS | StreumassenradiusStrukturen, kristalline | Strukturfaktor | SWAXS | Verknäuelungsgrad | WAXSK25 | K26Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200593

MethodenM36: Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS)M36: Röntgenkleinwinkelstreuung(SAXS)Die Röntgenkleinwinkelstreuung (Small AngleX-Ray Scattering, SAXS) ermöglicht die Bestimmungvon Strukturen im Bereich von unter 1 nmbis zu etwa 100 nm. Diese Methode wurde Mittedes letzten Jahrhunderts an der Universität Grazin den weltweit wegweisenden Arbeiten von OttoKratky und Günther Porod entwickelt. Sie erlebtdurch die Nanotechnologie eine neue Blüte, dasie hervorragend geeignet ist, den Prozess desSelf-Assembly zu studieren. Dabei konzentrierensich zahlreiche Arbeiten u.a. auf den Bereich Soft-Matter, d.h. fluide Systeme, Biomoleküle, Polymerein Lösung oder im Bulk, Fasern, Gele etc.Form und innere StrukturBeim Prozess des Self-Assembly erhält manoft identische, d.h. monodisperse Nanoteilchen.In diesem Fall ist es möglich folgende Größen zubestimmen:Maximale DimensionForm und SymmetrieInnere StrukturMolekulargewichtDiese Informationen werden als Formfaktorbezeichnet.Nanopartikel – GrößenverteilungIn verdünnten kolloidalen Systemen könnenPartikelgrößenverteilungen bestimmt werden(s. Abb. 1)Die Kombination von Klein- und Weitwinkelstreuung(Wide Angle X-Ray Scattering, WAXS)ermöglicht weiters die Erkennung molekularerOrdnung, z.B. die Kristallisation der Alkylketten ineinem Membranstapel (s. Abb. 2).Abbildung 1:Größenverteilungen von Gold-Kolloidenaus SAXS-Experimenten.a.u. … arbitrary units, d.h. beliebigeEinheiten.Abbildung 2:SAXS/WAXS-Daten von Phospholipid-Doppelschichten (DPPC, 2°C).94Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M36: Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS)Konzentrierte SystemeIn konzentrierten Systemen treten diese Teilchenin Wechselwirkung. Dies führt zu einer mehr oderweniger ausgeprägten Ordnung in der räumlichenAnordnung. Diese wiederum ist in der interpartikulärenStreuung – dem so genannten Strukturfaktor– manifestiert. Dieser gibt u.a. Auskunft über denVolumsbedarf der Teilchen und deren Wechselwirkung,z.B. die effektive Oberflächenladung.PorositätEine weitere Anwendung der Röntgenkleinwinkelstreuungist die Bestimmung der Porosität, genauergesagt der (inneren) Oberfläche pro Volumen.Dies ist offensichtlich ein essentieller Parameter fürKatalysatormaterialen, ist aber auch wichtig in derCelluloseforschung und -produktion (s. Abb. 3).Abbildung 3:Hierarchische StrukturenNeuere Forschungen gehen zunehmend inRichtung hierarchisch strukturierte Systeme. Hierwird auf molekularer Ebene der Effekt des Self-Assemblyhin zu Gleichgewichtsstrukturen verwendet,um eine nanostrukturierte innere Phase zu generieren.Diese wird dann im Submikrometerbereich miteiner stabilisierenden „Schutzschicht“ überzogen,um die innere Phase in einer anderen, äußerenPhase zu stabilisieren. Dies ähnelt z.B. dem Aufbaueiner Zelle. Einfachstes Beispiel ist eine Öl-Wasser-Emulsion, bei der das Öl durch einen Flüssigkristalloder eine Wasser-in-Öl-Mikroemulsion ersetzt wird(Abb. 4). Die Größe der Tröpfchen wird mittels dynamischerLichtstreuung (DLS) bestimmt.Otto Glatter, Gerhard FritzKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für ChemieOberflächen-zu-Volumsbestimmung bei Cellulose: 2D-Streu-Muster, SAXS/WAXS-Streukurve und Temperaturbehandlung.Die WAXS-Daten ermöglichen die Bestimmung des Kristallinitätsgrades.a.u. … arbitrary units, d.h. beliebige Einheiten.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200595

M36: Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS)intensity/c (MLO) [a. u.]Methoden:Lösungen:M4 | M14 | M35 | M33M34 | M38 | M40L7 | L9 | L24L28 | L33 | L359 [nm-1 ]Institute:I6 | I1 | I3 | I5 | I6 | I15Abbildung 4:Kubische, hexagonale und Mikro-Emulsionssysteme:im Bulk (schwarz) undemulgiert (rot).Kontakte:K9Fasern | Flüssigkristalle | Gele | Größenverteilung | Hierarchische Strukturen | KatalysatorenMikroemulsion | Nanostrukturen | Oberfläche, spezifische | Oberflächenladung | PolymerePoren | Porosität | Röntgenkleinwinkelstreuung | Röntgenweitwinkelstreuung | SAXSSelf-Assembly | Soft Matter | WAXS96Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM37: Röntgenreflektivität(XRR) – Methodik zur Bestimmungder Schichtdickevon zweidimensionalen NanostrukturenM37: Röntgenreflektivität (XRR)Die Methodik der Röntgenreflektivität (X-rayreflectivity, XRR) beruht auf den optischen Eigenschaftenvon Röntgenstrahlung. Beim Durchgangvon Röntgenstrahlen von einem Medium 1 in einMedium 2, wobei sich diese Medien nur durchihre Elektronendichte unterscheiden müssen, wirdein Teil des Strahles reflektiert und der andere Teildringt in das Medium 2 ein. Dieser Zusammenhangwird durch die Fresnelschen Koeffizientenbeschrieben, welche im Wesentlichen vom Einfallswinkelund den Elektronendichten abhängen. DieDurchführung einer Reflektivitätsmessung beruhtauf der Variation des Einfallswinkels des Primärstrahlesund der gleichzeitigen Detektion des reflektiertenStahles in einer spiegelnden Geometrie.Die verwendete experimentelle Anordnung ist einkonventionelles Röntgen-Pulverdiffraktometer mitspekularer Messgeometrie unter besonderer Wahlder Divergenzschlitze (s. Abb. 1, links).Bei einem Übergang von einem optisch dichterenMedium (z.B. Luft oder Vakuum) in ein optischdünneres Medium (z.B. ein Festkörper) ist der Brechungsindexn für Röntgenstrahlen kleiner als Eins,und damit tritt unterhalb eines kritischen Winkels Θ ceine externe Totalreflexion von Röntgenstrahlung ander Oberfläche eines Festkörpers auf. mit n als Brechungsindex für Röntgenstrahlungder Wellenlänge λ (in den Einheiten Angström, 1Å= 10 –10 m) und ρ e als die Elektronendichte des 2.Mediums (in den Einheiten Elektronen /Å 3 ). Beigrößeren Einfallswinkeln Θ des Primärstahles (Θ >Θ c ) wird die Reflexion von Röntgenstrahlen an derOberfläche, wie oben erwähnt, mittels der FresnelschenKoeffizienten beschrieben.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Links: Messgeometrie zur Röntgenreflektivität an Schichtsystemen unter Verwendung von Cu-K α -Strahlung,mit einem System von Divergenzschlitzen zur Kollimation des einfallenden und des reflektiertenStrahles, einem Sekundärmonochromator und der Detektoreinheit. Rechts: Prinzipskizze zur Entstehungvon „Kiessig Fringes“.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 200597

M37: Röntgenreflektivität (XRR)Im Jahre 1931 veröffentlichte H. Kiessig eineArbeit, in der er über seine Untersuchungen andünnen Filmen auf Glasoberflächen berichtet. Erbeobachtete – zusätzlich zum Fresnelschen Verlauf– Oszillationen der Intensität. In dieser Arbeit konnteer zeigen, dass die Abstände der Oszillationenrein von der Schichtdicke der verwendeten Filmeabhängen. Diese Oszillationen wurden nach ihremEntdecker „Kiessig Fringes“ genannt (s. Abb. 1,rechts). Fringes kommen durch den Gangunterschiedder von den einzelnen Grenzschichtenreflektierten Strahlen zustande. Am Ort des Detektorskommt es – je nach Phasenunterschied– zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz.Die Bestimmung der Schichtdicke und des kritischenWinkels der externen Totalreflexion könnenbei einem Einschichtsystem (z.B. Siliziumoxid aufSilizium, s. Abb. 2) auf einfache Weise erfolgen.Bei Mehrschichtsystemen (z.B. (InSn) 2O 3aufSiO xauf Glas, s. Abb. 2) kann die Lage der Maximabzw. Minima nicht genau bestimmt werden.Zur Auswertung der experimentellen Daten gibtes mehrere Ansätze. Meist wird eine Fouriertransformationund die Simulation der Daten mit einemkinematischen bzw. dynamischen Ansatz verwendet.Bei der Fouriertransformation erhält manInformationen zur Schichtdicke und die Abfolgeder Schichten. Mit den Simulationen erhält manneben den Informationen des Schichtaufbaues undAbbildung 2:Oben links: Eine Reflektivitätsmessung an einer Glasoberfläche mit der Beobachtung des Winkels Θ c derTotalreflexion. Oben rechts und unten: Beispiele zur Schichtdickenbestimmung mittels Röntgenreflektivitätan Ein- und Mehrschichtsystemen. Die Schichtdicke wurde aus den regelmäßigen Winkelabständender „Kiessig Fringes“ mittels Fourieranalyse bestimmt. a.u. … arbitrary units, d.h. beliebige Einheiten.98Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M37: Röntgenreflektivität (XRR)der Schichtdicke, weiters noch Informationen über Weiterführende Literaturden Elektronendichteverlauf in der Probe und dieRauigkeit der einzelnen Grenzschichten.[1] H. Kiessig (1931) „Interferenz von Röntgenstrahlenan dünnen Schichten“. Annalen derDie Methodik der Röntgenreflektivität kann auf Physik 10, 769-87.jegliche Schichtsysteme angewendet werden. [2] E. Chason (2000) „X-ray Reflectivity forSchichtdicken im Bereich von einigen wenigen Studies of Surface and Interface Structure“,nm bis zu einigen hundert nm können mit hoher in: „In-Situ Real-Time Characterisation of ThinGenauigkeit bestimmt werden. Limitierend für die Films“. O. Auciello, A. R. Krauss (Eds.), JohnMessung sind die Winkelauflösung des verwendetenRöntgendiffraktometer (Fringes zu nahe zusam-[3] U. Pietsch, V. Holy, T. Baumbach (2004)Wiley & Sons. 264 Seiten.men) und die Empfindlichkeit des Detektors (Intensitätsänderungum bis zu 8 Größenordnungen).Thin Films to Lateral Nanostructures“. Sprin-„High-Resolution X-Ray Scattering – Fromger Verlag. 408 Seiten.Oliver Werzer, Roland ReselTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikMethoden: —Lösungen: —Institute:I8Kontakte:K38Röntgenreflektivität | Schichtdicke | Schichtrauigkeiten | XRRIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200599

MethodenM38: SAXSess – Das Instrument für NanomaterialienM38: SAXSess – Das Instrumentfür NanomaterialienRöntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) ist eineUntersuchungsmethode für die Struktur von Materialen,die aus mindestens zwei Komponenten(Phasen) bestehen. Ist eine der Komponenten in deranderen so fein verteilt, dass ihre Partikelgrößen inden Nanometerbereich fallen (typischerweise zwischen0,5 und 50 nm), dann kann eine Anwendungvon SAXS folgende Strukturparameter liefern:Partikelgrößen und deren VerteilungPartikelsymmetrie (Kugel, Zylinder, Lamelle)und innerer AufbauPorosität (Oberfläche pro Volumen)Anordnung (Kristallinität) und Orientierungder PartikelMolekulargewichtSubstanzklassen, die sich für eine SAXS-Untersuchungeignen, sind Kunststoffe und Mischungen,Suspensionen, Farben, Papier, Aerogele, Emulsionen,Cremen, Membranen, Katalysatoren, Ultraschall-Kontrastmittel,Viren, Proteine u.v.a.m.Bei der Untersuchung wird die Probe mit einemRöntgenstrahl durchleuchtet (s. Abb. 1). Die Strukturder Partikel wird in einem SAXS-Experimentüber ein Streubild indirekt sichtbar, das sich ergibt,wenn die gestreuten Röntgenstrahlen am Detektorzur Interferenz kommen (s. Abb. 2). Das Interferenzbildergibt sich aus der Summe aller Wellen, die ausdem Partikel kommen, es ist daher charakteristischfür die Größe und Symmetrie des Partikels. Daimmer viele Partikel gleichzeitig bestrahlt werden,Abbildung 1:Eine Probe, bestehend aus Partikeln,wird mit Röntgenlicht durchstrahlt. EinTeil des Lichtes wird von den Partikelngestreut und ergibt ein Streubild amDetektor.Abbildung 2:Ein Partikel wird mit Röntgenwellen beleuchtet.Alle Volumselemente innerhalbdes Partikels streuen Licht zum Detektor,wo die jeweilige Wegdifferenz zueinem charakteristischen Interferenzbildführt.100Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M38: SAXSess – Das Instrument für Nanomaterialienerhält man immer einen statistischen Mittelwert vonallen bestrahlten Partikeln. Die eigentliche Struktur-Information muss mit geeigneter Software aus demStreubild berechnet werden.Im Jahr 2001 brachte Anton Paar die neue Generationdes Röntgenkleinwinkelstreugerätes mitdem Namen SAXSess (s. Abb. 3) auf den Markt. Eslöste damit die frühere Generation der sogenanntenKratky-Kamera ab. Dies wurde durch das Aufkommenvon neuen Röntgenoptiken und Detektorenermöglicht. Inzwischen sind schon viele SAXSess-Geräte weltweit im Einsatz und bestechen durch dieerzielte gute Datenqualität.Die Spezifikationen erlauben die Messung beisehr kleinen Winkeln (ca. 0,1°) bis in den Weitwinkelbereich(ca. 40° Streuwinkel), und das ohneAuflösungsverluste. Aufgrund der hohen Intensitätdes monochromatischen Primärstrahles sind nunMessungen circa 10-mal schneller als bei der früherenKratky-Kamera. Ebenso kann mit wenigenHandgriffen das Gerät dazu gebracht werden, dieGröße des bestrahlten Probenvolumens zu verändern,was bei lokal orientierten Proben von Vorteilist. Die 2D-Detektion des Streubildes mit hoherAuflösung und großem Intensitätsbereich ist gegeben.Heimo Schnablegger, Peter Worsch, Petra KotnikAnton Paar GmbHAbbildung 3:Methoden:Lösungen:Institute:Kontakte:Das SAXSess-Röntgenkleinwinkelstreugerät.M35 | M36L21 | L33Aerogel | Creme | Emulsion | Farben | Katalysatoren | Kunststoffe | Membranen | Papier | PartikelProtein | Röntgenkleinwinkelstreuung | SAXESS | SAXS | StrukturbestimmungSuspensionen | VirusI1K42Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005101

MethodenM39: Schwingungsspektroskopie (IR und Raman)M39: Schwingungsspektroskopie(IR und Raman)In der Infrarot (IR)- und Raman-Spektroskopiewird die Probe mit infrarotem oder sichtbarem Lichtbestrahlt, wobei Atombindungen zu Schwingungenangeregt werden. Im Falle der IR-Spektroskopiewerden dabei bestimmte, für die jeweilige Bindungcharakteristische Wellenlängen absorbiert. Bei derRaman-Spektroskopie kommt es zu Wellenlängenverschiebungen(inelastische Streuung) einermonochromatischen Anregungsstrahlung (Laser)(s. Abb. 1). Beide Methoden ergänzen sich wechselseitig(komplementäre spektrale Information). Dietechnische Entwicklung der letzten Jahrzehnte hatdie Apparate auf höchstes Niveau gebracht und dieSoftware ist benutzerfreundlich mit umfassendenFunktionen. Damit ist die Schwingungsspektroskopieheute ein in der Materialcharakterisierungunverzichtbares analytisches Werkzeug.Die so genannte abgeschwächte Totalreflexion(„Attenuated Total Reflection“, ATR) ist eine IR-Messtechnik, bei der die Messung durch Kontaktierungder Probe mit einem Kristall mit hohemBrechungsindex (Diamant, Germanium) erfolgt. Diespektrale Information stammt in diesem Fall auseinem sehr oberflächennahen Bereich bis ca. 0,4 –1µm Tiefe. Noch dünnere Schichten (ca. 10 – 50nm, manchmal auch Monolagen) können auf einerreflektierenden Oberfläche mit einem GIR-Objektiv(„Grazing Incidence Reflectance“, Reflexionsmessungmit streifendem Einfall) charakterisiertwerden.(a)Beide Methoden lassen sich mit einem Lichtmikroskopkoppeln (FTIR- und Raman-Mikroskopie).Es können auch polarisationsbedingte Effekte erfasstwerden (z.B. Vorzugsorientierung in Polymeren).Die Anwendung eines Software-gesteuertenProbentisches ermöglicht die automatisierte Messungeines Probenbereiches (Mapping) und damitdie Erfassung der Verteilung einzelner Stoffe. DieAnwendungsgebiete für die beiden Methoden sindvielfältig, von der Qualitätskontrolle über die forensischeAnalytik bis hin zu Anwendungen in Medizinund Biologie.Abbildung 1:(b)Prinzip der Raman-Spektroskopie. (a)Die Probe wird mit Laser-Licht angeregt,welches zum größten Teil elastisch(mit gleicher Frequenz) gestreut wird.Ein kleiner Anteil des Streulichtes istjedoch frequenzverschoben (Raman-Streuung). Nach Eliminierung deselastischen Anteils durch ein Filter wirdder restliche Strahl zerlegt und spektroskopischausgewertet (Information überBindungen im Molekül; s. (b): BeispielNylon 66).102Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M39: Schwingungsspektroskopie (IR und Raman)Die jüngste und faszinierendste Technik ist dasso genannte spektrale Imaging (Bildgebung). BeimFTIR-Imaging benutzt man einen speziellen Detektor(„Focal Plane Array“, FPA) welcher aus vielensehr kleinen Detektorelementen (typischerweise64 x 64 = 4096) besteht. Dieses Imaging lässt sichsehr gut mit dem ATR-Objektiv durchführen, wobeidie laterale Auflösung der Methode bei wenigenMikrometern liegt (je nach interessierendemSpektralbereich). Beim Raman-Imaging dagegenwird mit Hilfe eines Filters eine einzige Raman-Linie aus dem Spektrum auf einem 2D-Detektor(CCD-Kamera) abgebildet. Die laterale Auflösungder Raman-Mikroskopie ist etwas besser als dieder FTIR-Mikroskopie auf Grund der anregendenWellenlänge (meist im sichtbaren Bereich) und liegttypischerweise um einen Mikrometer.Methoden:M2Peter Wilhelm Lösungen:L20 | L31Technische Universität GrazInstitute:I4 | I14Forschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschung Kontakte:K49und Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazFTIR-Mikroskopie | Imaging | Infrarot-Mikroskopie | Infrarot-Spektroskopie | PolymereRaman-Mikroskopie | Raman-Spektroskopie | spektrale BildgebungIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005103

MethodenM40: SynchrotronstrahlungM40: SynchrotronstrahlungSeit Faradays Zeiten wissen wir, dass Strömeund Felder eng miteinander gekoppelt sind. Genauwie sich ändernde elektromagnetische Felder(Licht) elektrische Ströme induzieren, so kann manaus elektrischem Strom Licht erzeugen. Besondersintensive and stark fokussierte Strahlung entsteht,wenn energiereiche Elektronenströme beschleunigtwerden. In den Synchrotron-Großanlagen geschiehtgenau das: Elektronen werden bei nahezuLichtgeschwindigkeit auf Hunderte von Meternlangen Kreisbahnen bewegt und durch den Einsatzvon einfachen Ablenkmagneten auf der Bahngehalten. Hierbei erfährt der Elektronenstrom eineBeschleunigung und Synchrotronlicht wird emittiert(s. Abb. 1). Spezielle Magnetstrukturen wie „Wiggler“und „Undulatoren“ können diesen Effekt nochum ein Vielfaches verstärken.Das gewonnene Synchrotronlicht besitzt vieleEigenschaften, wie z.B. eine besondere Pulsstrukturund hohe Brillanz, die bei herkömmlichenLaborquellen (Röntgenröhren) nicht gegeben sind.Kurz, Synchrotronlicht bietet daher eine Fülle neuerForschungsmöglichkeiten. Ob auf der Suche nachder nächsten Generation von Medikamenten oderbeim Design von neuen Speichermedien, überallsteht das Verständnis neuer Nanomaterialien imVordergrund, und somit die Notwendigkeit sichdiese „Nanoskope“ zu Nutze zu machen. Wie einstdas Lichtmikroskop der klassischen Medizin, Biologieund Technik große Dienste geleistet hat, sohaben sich über die letzten 50 Jahre weltweit dieSynchrotron-Lichtquellen zu wahren Alleskönner-Maschinen gewandelt. Mit ihrer Hilfe kann mannicht nur komplexe Nanostrukturen von neuen undinnovativen Verbundmaterialien erforschen, sondernkann ganze Prozesse im Mikrosekundentakterfassen.Peter LaggnerÖsterreichische Akademie der WissenschaftenInstitut für Biophysik und RöntgenstrukturforschungMethoden: —Lösungen:L35Abbildung 1:Multipolmagnete zwingen Elektronenin periodisch gekrümmte Bahnen.Dadurch entsteht hochbrillantes, nachvorne abgestrahltes Röntgenlicht.Institute:Kontakte:I2 | I3 | I5 | I6K25Brillanz | Nanostrukturen | Pulsstruktur | Synchrotron | Synchrotronstrahlung | UndulatorenVerbundmaterialien | Wiggler104Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM41: Thermische Desorptionsspektroskopie(TDS)M41: Thermische Desorptionsspektroskopie (TDS)Bei dieser Untersuchungsmethode werdenAtome oder Moleküle, die auf eine Oberflächeadsorbiert oder aufgedampft worden sind, durchTemperaturerhöhung der Probe wieder von derenOberfläche desorbiert. Mit dieser im Prinzip einfachenMethode kann man eine Reihe von kinetischenund energetischen Parametern bestimmen,die die Wechselwirkung zwischen Gasen und Oberflächencharakterisieren. Diese Untersuchungenwerden vorzugsweise unter Ultrahochvakuumbedingungendurchgeführt (10 -10 mbar), da geringsteEinflüsse aus dem Restgas eine entscheidendeRolle spielen.Ein TDS-Experiment läuft folgendermaßen ab:Zuerst wird die Probenoberfläche gereinigt (meistdurch Ionenbeschuss oder durch Heizen) und dannwird die Probe bei geeigneter Temperatur (Raumtemperatur,aber oft auch bei der Temperatur desflüssigen Stickstoffs, -196°C) einem Gas ausgesetzt(z.B. Wasserstoff, CO, H 2 O etc.) oder auch mitkondensierbaren Atomen oder Molekülen bedampft(organische Moleküle, Metalle etc.). Nachdem einebestimmte Menge adsorbiert oder aufgedampftworden ist, wird die Probe linear aufgeheizt (typischeHeizraten 1– 5 K /s). Bei entsprechendenTemperaturen desorbieren (verdampfen) dann dieTeilchen von der Oberfläche, diese werden mitHilfe eines Massenspektrometers detektiert. Dasführt zuerst zu einem Ansteigen des Signals (wegender zunehmenden Desorptionsrate) und dannwieder zu einem Abfall (da immer weniger Teilchenvorhanden sind). Aus dem speziellen Verlauf desTeilchensignals (Desorptionsspektrum) kann manfolgende Informationen gewinnen: Das Integralunter dem Desorptionsspektrum ist zur Mengedes adsorbierten Materials proportional. Bei geeigneterKalibrierung kann man somit quantitativdie Oberflächenbedeckung bestimmen. Die Temperatur,bei der das Desorptionsmaximum auftritt,ermöglicht die Bestimmung der Adsorptionsenergie(Adsorptionswärme, Verdampfungswärme). Ausder Form des Desorptionsspektrums kann manweiterhin die Anzahl der Adsorptionszustände unddie Ordnung der Desorptionsreaktion bestimmen,d.h. man kann z.B. herausfinden, ob das Adsorbatauf der Oberfläche dissoziiert vorliegt, ob lateraleWechselwirkungen im Adsorbat vorliegen, ob dieerste adsorbierte Schicht stärker gebunden ist alsdie darauffolgenden usw. In Verbindung mit derBestimmung der Gasexposition kann die Desorptionspektroskopieweiters Aussagen über die Adsorptionskinetik,sprich den Haftkoeffizienten unddessen Bedeckungsbhängigkeit, machen.Wenn auch die Thermischen Desorptionspektroskopiehauptsächlich in der Grundlagenforschungeingesetzt wird, sollen im Folgenden einige anwendungsorientierteBeispiele genannt werden: DieTDS eignet sich besonders zur Charakterisierungder Wechselwirkung von Wasserstoffmolekülenoder Wasserstoffatomen mit Oberflächen. Diesist z.B. relevant für die Wasserstoffspeicherung inMetallen, für die Fusionstechnologie, für Reaktionenim interstellaren Raum, für die heterogene Katalyseetc. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet fürTDS ist die organische Elektronik. Sie kann, vorallem in Verbindung mit anderen Methoden (LEED,Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005105

M41: Thermische Desorptionsspektroskopie (TDS)XPS), wichtige Informationen über die Energetik derersten Moleküllagen liefern. Dies ist von besondererBedeutung, da die elektrischen und optischenEigenschaften organischer Bauelemente entscheidendvon den entsprechenden Grenzflächenabhängen (Bindungsenergie, Elektronentransfer,Kontaktpotenzial).Adolf WinklerTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikMethoden:Lösungen:Institute:Kontakte:M7 | M32L38 | L42I8K50Adsorption | Desorption | Massenspektrometer | TDS | Thermische DesorptionsspektroskopieUltrahochvakuum106Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

Methodenstress [MPa]M42: Thermo-mechanischeCharakterisierung dünnerSchichtenMechanische Größeneffekte indünnen SchichtenAbbildung 1:M42: Thermo-mechanische CharakterisierungDünne Schichten mit Schichtdicken im Bereichweniger Nanometer bis hin zu einigen Mikrometernzeigen gegenüber dem entsprechenden Massivmaterialveränderte und zumeist größenabhängigemechanische Eigenschaften („size effects“). So wirdmit abnehmenden geometrischen bzw. mikrostrukturellenDimensionen meist ein starker Anstieg derFließspannung beobachtet (Abb. 1). Dies kann beieinem Einsatz der Schichten z.B. als LeiterbahnSpannungs-Temperaturverlauf vonNi-reichen NiAl-Schichten auf einemSi-Substrat. Mit abnehmender Schichtdickenehmen die Spannungswerte beiRaumtemperatur zu. (nach [1])in der Mikroelektronik oder als Schutzschicht gegenüberthermischer oder abrasiver Belastung zurErmüdung bzw. Rissbildung führen und somit zueinem Versagen des Schicht /Substrat-Verbundesaufgrund hoher innerer Spannungen (Abb. 2). Ursachefür die inneren Spannungen sind zumeist dieunterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizientender einzelnen Werkstoffe.Abbildung 2:Rissbildung in einer dünnen, thermischbelasteten Al-reichen NiAl-Schicht.(nach [2])Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005107

M42: Thermo-mechanische CharakterisierungMessmethodeMit Hilfe der Substrat-Krümmungsmessung kannaus der Änderung der Krümmung des Schicht-Substratverbundesdie Spannung der Schicht in Abhängigkeitvon der Temperatur bestimmt werden.Die Krümmung der Probe (Abb. 3) wird entwedermit Hilfe eines laseroptischen Systems oder mitRöntgenstrahlung ermittelt. Von der Schicht musslediglich die Dicke zur Bestimmung der Spannungbekannt sein.Abbildung 3:Schematische Zeichnung einer Schichtunter Druckspannung. Misst man dieVerbiegung des Schicht /Substratverbundes,so lässt sich daraus dieSpannung der Schicht bestimmen.Literatur[1] P. Wellner, G. Dehm, O. Kraft, E. Arzt (2004)„Size effects in the plastic deformation of NiAlthin films“. Zeitschrift für Metallkunde 95(9),769 –78.[2] P. Wellner, O. Kraft, G. Dehm, J. Andersons,E. Arzt (2004) „Channel cracking ofβ-NiAl thin films on Si substrates“. Acta Mater.52, 2325 – 36.Gerhard DehmÖsterreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft,Materials Center Leoben Forschung GmbHund Montanuniversität LeobenDepartment Materialkunde und WerkstoffprüfungAbbildung 4:Aus der Verbiegung des Substratesbestimmter Spannungsverlauf in einerAl-Schicht. Beim Aufheizen entstehenDruckspannungen in der Al-Schichtaufgrund des im Vergleich zumSubstrat größeren Ausdehnungskoeffizienten.Beim Abkühlen entstehenZugspannungen.Methoden: —Lösungen:Institute:L11 | L21I3 | I15Kontakte:K5Defekt | Ermüdung | Leiterbahn | Riss | Schicht | Spannungen, innereSpannungen, thermische | thermomechanische Charakterisierung108Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM43: Tribologische Untersuchungen– Grundlagen undEinsatzmöglichkeitenM43: Tribologische UntersuchungenDie tribologische Charakterisierung von Werkstoffkontaktenbeschäftigt sich mit der Darstellungdes auftretenden Reibungs- und Verschleißverhaltens.Als Reibung wird jener Widerstand bezeichnet,welcher der Relativbewegung sich berührenderKörper entgegenwirkt. Damit sind ReibvorgängeEnergieumsetzungsprozesse, bei welchen dieeingebrachte Energie in Wärme, Verschleiß, elastischeund plastische Verformung der stofflichenStruktur in der Grenzschicht umgewandelt wird. AlsVerschleiß wird der fortschreitende Materialverlustaus der Oberfläche eines Grundkörpers durch dieWirkung eines festen, flüssigen oder gasförmigenGegenkörpers definiert.Allgemein können die vier VerschleißgrundmechanismenAdhäsion, Abrasion, Oberflächenzerrüttungund tribochemische Reaktion unterschiedenwerden: Adhäsiver Verschleiß ist gekennzeichnetdurch eine örtliche Festkörper-Festkörper-Adhäsion.Auftretende Kaltverschweißungen können höhereFestigkeiten als der Grundwerkstoff besitzen,so dass eine Materialabtrennung im Grundwerkstoffund nicht nur an den Schweißstellen möglich ist.Beim abrasiven Verschleiß erfolgt ein intensiverMaterialabtrag durch Ritzen oder Furchen des Reibpartnersdurch die Oberflächenspitzen des härterenKörpers oder durch abrasive Zwischenstoffe.Die Oberflächenzerrüttung (Ermüdungsverschleiß)wird durch eine Festigkeitsminderung von Oberflächenschichteninfolge tribologischer Schwell- undIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Ein- und Ausgangsgrößen eines tribologischen Systems.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005109

M43: Tribologische UntersuchungenWechselbeanspruchungen charakterisiert. Dertribochemische Verschleiß wird durch schädlichechemische Reaktionen in den Kontaktstellen unterdem Einfluss des Umgebungsmediums und dermechanischen Kontaktmechanismen verursacht(z.B. Tribooxidation).Die Methodik tribologischer Untersuchungen erforderteine exakte Analyse der im Anwendungsfall(z.B. Getriebe) auf die Werkstoffpaarung einwirkendenUmgebungsbedingungen (material /energyinput) sowie der auftretenden Phänomene(material /energy output), welche im Anschluss denAufbau eines tribologischen Modellsystems zulassen(s. Abb. 1). Basierend auf diesem Modellsystemkann in der Folge eine Optimierung von Reibungund Verschleiß erfolgen. Derartige Optimierungenerfolgen in verschiedensten Versuchsanordnungen,von welchen lineare oder kreisförmige Bewegungenvon Prüfkörpern auf der zu prüfenden Oberfläche(sog. „Pin-on-Plate“- oder „Pin-on-Disc“-Tests)am häufigsten zu finden sind. Durch Auswahlder Belastungskraft, der Relativgeschwindigkeit,der Kontaktfläche bzw. Kontaktgeometrie sowieder Prüftemperatur und der Prüfatmosphäre lassensich durch diese Versuche unterschiedlicheWerkstoffpaarungen sowie der Einfluss von Zwischenmedien(z.B. Schmiermitteln) vergleichendcharakterisieren.Während das Reibverhalten (Reibzahlen) relativeinfach durch die auftretende Reibkraft messbarist, erfordert die Ermittlung des Verschleißes (Verschleißvolumens)und der Verschleißvorgänge diemikroskopische und topographische Analyse derOberfläche durch z.B. Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopieoder Profilometrie. Zur besserenVergleichbarkeit wird das Verschleißvolumeni.A. bezogen auf die Belastungskraft und den Prüfwegals Verschleißrate dargestellt.Abbildung 2:Ergebnis tribologischer Vergleichsuntersuchungen– Reibzahlen undVerschleißraten – an verschiedenenVerschleißschutzbeschichtungen,welche mittels des Pulsed-Laser-Deposition-Beschichtungsverfahrenshergestelltwurden (25°C, 50 – 55% relativeLuftfeuchtigkeit, 10 N Belastungskraft,~2 GPa Hertz’sche Flächenpressung,10 m /s Geschwindigkeit) [1].Als Beispiel für tribologische Untersuchungenkann der Vergleich von verschiedenen Verschleißschutzbeschichtungen,welche mittels der PulsedLaser Deposition (PLD) bei Raumtemperatur abgeschiedenenwurden, in Abb. 2 gezeigt werden:Die Übersicht zeigt, dass mittels industrieller PLD-Großflächenbeschichtung bei Raumtemperatur dieStandardschichtwerkstoffe wie Titannitrid (TiN),Titanoxid (TiO 2 ), Titanaluminiumnitrid (TiAlN) undChromnitrid (CrN) durch relativ hohe Reibzahlencharakterisiert sind. Diese sind etwa gleich jenenvon unbeschichteten Stahl-Stahl-Paarungen, jedochwird durch die Beschichtungen um mehrere110Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M43: Tribologische UntersuchungenGrößenordnungen geringerer Verschleiß erreicht. LiteraturEine weitere Verschleißreduzierung, verbundenmit zusätzlicher Abnahme des Reibkoeffizienten, [1] J. M. Lackner, W. Waldhauser (2005)ist mit diamantähnlichen Kohlenstoff- (a-C, a-C:H) „HybridPLD – Pulslaser-Hybridbeschichtungoder auch mit Titankarbonitrid- (TiCN) und Titanaluminium-Karbonitrid-Beschichtungen(TiAlCN) Oberflächentechnik. 2005. Leuze Verlag,im industriellen Maßstab“, in: Jahrbuch dermöglich.Saalgau. Im Druck.Jürgen M. Lackner, Wolfgang WaldhauserJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHLaserzentrum LeobenMethoden: —Lösungen:L18Institute:I14 | I1 | I15Kontakte:K24Pin-on-Plate-Test | Reibung | Tribologie | VerschleißIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005111

MethodenM44: Ultramikrotomie in der MaterialforschungM44: Ultramikrotomie in derMaterialforschungMikroskopische Untersuchungsmethoden werdenneben der reinen Forschungsarbeit in der Qualitätssicherungund der Schadensanalyse eingesetzt.Sie können Zusammenhänge zwischen demstrukturellen Aufbau eines Werkstoffs und seinenmechanischen Eigenschaften erklären, den Einflussvon Verarbeitungsparametern auf den Werkstoffoder Schädigungen, die zum Versagen führten,aufzeigen. Bei Untersuchungen an Rezyklaten (rezykliertenKunststoffen) sind beispielsweise derNachweis und die Identifikation von polymeren undanderen Verunreinigungen von besonderem Interesse.Lichtmikroskopische Methoden im Durch-und Auflicht werden dabei durch Oberflächenuntersuchungenmit dem Rasterelektronenmikroskopund Strukturuntersuchungen mit dem Transmissionselektronenmikroskopergänzt.1. ProbenvorbereitungEinbettung von kleinen oder nicht stabilenProben (wie z.B. Papierproben, Folien [Aluminium,Kunststoff], Granulate [Kunststoff],Pulver, Faserproben usw.) in Epoxydharze(z.B. Epon, Epofix, Spurr)Aushärten der Proben nach Vorschrift derHarzhersteller„Trimmen“ der Blöcke als Vorbereitung für dienachfolgende UltramikrotomieDas Zuspitzen und Zurechtschneiden der Kunststoffblöckebezeichnet man als „Trimmen“ (Erstelleneiner Block-Pyramide; s. Abb. 1). Trimmen ist prinzipiellvon Hand möglich, präziser geht dies jedochmittels Trimmgerät. Die Kunststoffblöcke werdenüblicherweise zu Pyramiden mit trapezförmigerGrundfläche getrimmt. Saubere, parallele Kantenund feine Oberflächen sind Grundvoraussetzung fürein gleichmäßiges Ablösen der Ultradünnschnittewährend des späteren Schneidevorgangs.Abbildung 1:Schematische Darstellung des „Trimmens“.112Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M44: Ultramikrotomie in der Materialforschung2. Härtung der ProbenPhysikalische Härtung mittels Stickstoff(z.B. von Gummi) → Kryo-UltramikrotomieChemische Härtung unter gleichzeitigerKontrastierung (z.B. teilkristalline Kunststoffewie ABS, PMMA, PP, PE u.a.) mittels Osmiumtetroxid(OsO 4 ) oder Rutheniumtetroxid (RuO 4 )→ Ultramikrotomieab3. Herstellung von SemidünnschnittenSemidünnschnitte nennt man Schnitte mit einerDicke > 100 nm. In der Elektronenmikroskopieverwendet man sie zur zielgerichteten Trimmung,indem man sich mit gefärbten Semidünnschnitten,die im Lichtmikroskop untersucht werden, an die imTEM zu untersuchende Stelle „herantastet“.4. Mikroskopieren der Semidünnschnittemit dem Lichtmikroskopim Hellfeld-, Dunkelfeld-, Differentiellen Interferenzkontrast-,Polarisations-, Auflicht- oder Durchlichtmodus.Dokumentation der Bilder mit einerCCD-Camera.Zur Illustration sei hier die Untersuchung desStrukturaufbaues von teilkristallinen Kunststoffenmittels Lichtmikroskopie angeführt (Abb. 2a, b).Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 2:Teilkristalline Kunststoffe im Lichtmikroskop. (a) Polypropylen. (b) Links: Biopolymer PHB, aus dem BakteriumAlcaligenes latus isoliert. Rechts: Das Bakterium Alcaligenes latus.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005113

M44: Ultramikrotomie in der Materialforschung5. Herstellen von GlasmessernFür die Ultramikrotomie können Messer aus Glasoder Diamant verwendet werden. Um Glasmesserherzustellen, bricht man zunächst Quadrate voneinem Glasstreifen ab, die nach einer Diagonalritzungin die eigentlichen Messer („Dreiecksklinge“)halbiert werden. Die Herstellung der Glasmesser erfolgtan einem Messerbrechgerät („Knife-maker“).Da Ultradünnschnitte nicht mit trockener Messerkantehergestellt werden können, werden dieMesser mit einem Trog versehen, der dazu dient,Wasser aufzunehmen. Der Flüssigkeitsspiegel imMessertrog gestattet es, den Schnitten faltenfreivon der Messerkante wegzutreiben (s. Abb. 3). Diamantmessersind i.A. bereits mit einem Wassertrogausgestattet.6. Schneiden mit dem Ultramikrotombzw. KryoultramikrotomApparaturen, die eine Schnittdicke

M44: Ultramikrotomie in der MaterialforschungDie Schnittdicke kann aufgrund der Interferenzfarbender Schnitte beurteilt werden. Ideale Schnittdickenliegen im Bereich von grau bis silbern, dieoptimale Schnittdicke hängt in der Materialkundejedoch immer vom jeweils vorliegenden Material ab,welches geschnitten werden muss (s. Abb. 5).Als Objektträger verwendet man normalerweisemit dünnen Trägerfilmen beschichtete Kupfernetzchen.Das Übertragen der Schnitte auf befilmteNetzchen kann durch Auftupfen von oben (Gefahrder Faltenbildung !) oder durch Aufnahme von untenvorgenommen werden. Das Übertragen der Kryoultradünnschnitteerfolgt mit einem Tropfen einerSukroselösung in einer Öse auf ein Kupfernetzchen.Die Sukroselösung wird anschließend gegen Wasserausgetauscht. Epoxidschnitte können jedochauch ohne Trägerfilme auf engmaschigen Kupfernetzchenbeobachtet werden. Ihnen wird zur mechanischenStabilisierung eine dünne Kohleschichtaufgedampft (s. Abb. 6).Alternativ zum Kontrastieren am Block bzw.Nachkontrastierung können auch direkt Dünnschnittemit Schwermetallen ( Uranylacetat, Bleicitrat,Osmiumtetroxid, Rutheniumtetroxid ) behandeltwerden.7. Untersuchung der ultradünnenSchnitte im TransmissionselektronenmikroskopAbschließend werden die ultradünnen Schnitteim TEM mit anschließender digitaler Dokumentation(CCD-Camera) und Bildbearbeitung untersucht(s. Abb. 7 a – d).Abbildung 6:Elisabeth IngolicTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazKupfernetzchen mit Kohlebedampfungzur mechanischen Stabilisierung.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 5:Farbskala zur Beurteilung derSchnittdicke.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005115

M44: Ultramikrotomie in der MaterialforschungAbbildung 7: Ultradünnschnitte im TEM. (a) Latex-Dispersion (OsO 4 -Kontrastierung). (b) Polymethylpenten-1 (RuO 4 -Kontrastierung). (c) Flammschutzhemmender Kunststoff. (d) Aluminium mit Oxid.Methoden:M2 | M21 | M26Lösungen: —Institute:Kontakte:I4K15Kontrastierung | Lichtmikroskopie | Polymere | Probenpräparation | TEMTransmissionselektronenmikroskopie | Ultramikrotomie116Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM45: Zeta-Potenzial-MessungÜberblickM45: Zeta-Potenzial-MessungBei der Zeta-Potenzial-Messung bestimmtman das elektrische Potenzial an der Grenzflächeeiner (meist) festen Phase und einer Flüssigkeit.Zeta-Potenzial-Messungen sind an der Oberflächepraktisch aller Arten von Feststoffen, d.h. Platten,Folien, Fasern, Membranen und (Nano)partikeln,durchführbar. Das Zeta-Potenzial bestimmt ganzwesentlich die Wechselwirkungen mit der flüssigenPhase und ist daher in allen technologischenProzessen, an denen Fest /Flüssig-Grenzflächenbeteiligt sind, von Bedeutung.Elektrische Doppelschicht undZeta-PotenzialIn einer Elektrolytlösung sind die elektrischenLadungen der Ionen, die Richtung der Wasserdipoleund auch die Bewegungsrichtung der Molekülestatistisch verteilt. An Phasengrenzen gilt das nichtmehr. Die meisten Substanzen erwerben an denPhasengrenzen elektrische Ladungen (dies tritt besondersin Kontakt mit einem polaren Medium wieWasser auf), beide Seiten der Grenzschicht ladensich mit Ladungen entgegengesetzten Vorzeichensauf. Dies gilt prinzipiell für alle Phasengrenzen, jedochsind aufgrund der großen Bedeutung für biologischeund technische Vorgänge die an der Phasengrenzefest /flüssig auftretenden elektrischenErscheinungen von vorrangigem Interesse.Die in der Grenzregion angereicherten Ladungenkönnen auf verschiedene Art und Weise entstehen:Oberflächenladungen können durch dieIonisation dissoziierbarer Gruppen entstehen(z.B. -COO – , -NH 3+ ).An der Oberfläche können Ionen spezifischadsorbiert werden. Dies wird als die häufigsteQuelle von Oberflächenladungserscheinungenbetrachtet.Abbildung 1:Elektrische Doppelschicht nach demStern-Modell.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005117

M45: Zeta-Potenzial-MessungAus Metallen können Elektronen in die Lösungübertreten.Bei Mineralien tritt häufig isomorpheSubstitution (= Einbau anderswertigerIonen in Gitterleerstellen) auf.Bei jeder Relativbewegung zwischen der festenund flüssigen Phase wird die diffuse Schicht ganzoder teilweise abgeschert. Das Potenzial an dieserScherebene ist das sogenannte elektrokinetischeoder Zeta-Potenzial (ζ).Die Anreicherung von Ladungen an der Phasengrenzeführt zur Ausbildung einer elektrochemischenDoppelschicht. Das ist jener Bereich, in demdas elektrische Potenzial ausgehend vom Oberflächenpotenzialψ O bis zum Gleichgewichtswert in derflüssigen Phase abfällt.Die elektrische Doppelschicht besteht nachdem Modell von Stern aus fest adsorbierten Ionen(Stern- oder Helmholtz-Schicht) und einer diffusenSchicht (Gouy-Chapman-Schicht) von beweglichenGegenionen (Abb. 1). Innerhalb der starren Schichtist der Potenzialverlauf linear während das Potenzialin der diffusen Schicht exponentiell abfällt. DasPotenzial an der Grenze zwischen dem starren unddem diffusen Teil der elektrischen Doppelschichtbezeichnet man als Stern-Potenzial.Methoden der Zeta-Potenzial-MessungDas durch das Abscheren der diffusen Schichtentstandene Ladungsungleichgewicht führt zueiner Reihe von elektrokinetischen Effekten. Diebeiden wichtigsten, die auch zur Bestimmung desZeta-Potenzials ausgenützt werden, sind die Elektrophoreseund das Strömungspotenzial. Währenddie Elektrophorese zur Messung des Zeta-Potenzialskleiner Teilchen (z.B. Nanopartikel) verwendetwird, dient das Strömungspotenzial in erster Liniezur Messung an makroskopischen Oberflächenwie Platten, Filmen, Fasern, Membranen und Granulaten[1].Als Elektrophorese bezeichnet man die Wanderungvon geladenen Teilchen (meist kolloidalenPartikeln oder Makromolekülen) im elektrischenFeld. Die elektrophoretische Beweglichkeit µ derTeilchen steht in direktem Zusammenhang mit demZeta-Potenzial. Meist wird die Helmholtz-Smoluchowski-Näherungzur Berechnung des Zeta-Potenzialsverwendet:Abbildung 2:Schema einer oszillierenden Strömungspotenzialmessung.ζ … dynamische Viskosität ε . ε 0 … Dielektrizitätskonstante118Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

M45: Zeta-Potenzial-MessungDie Messung der elektrophoretische Beweglichkeitµ von Teilchen erfolgt heute meist mittelselektrophoretischer Lichtstreuung (ELS). Das vonden im elektrischen Feld bewegten Partikeln gestreuteLicht erfährt aufgrund des Doppler-Effekteseine Frequenzänderung, welche zur Bestimmungder Wanderungsgeschwindigkeit herangezogenwird. Zur Messung sehr kleiner Potenziale oder fürMessungen in unpolaren Medien oder bei hohenSalzkonzentrationen wird auch die sogenannte„Phase analysis light scattering (PALS)“-Technikangewandt.Als Strömungspotenzial bezeichnet man jenesPotenzial, das entsteht, wenn eine Flüssigkeit(z.B. durch eine Druckdifferenz) an einer ruhendenFestkörperoberfläche vorbeiströmt. Das Strömungspotenzialkann mittels zweier in einem Strömungskanalpositionierter Elektroden abgegriffenwerden. Das Zeta-Potenzial kann daraus mithilfeder Gleichung von Helmholtz und Smoluchowskibestimmt werden:ΔU … Strömungspotenzial,Δp … Druckdifferenz,L,Q … Länge und Querschnitt desR …Strömungskanals,elektrischer WiderstandFür die Messung wird eine Elektrolytlösungdurch einen von der Probe gebildeten Strömungskanal,einen Faserpfropfen oder eine Membrangepumpt und die Druckdifferenz sowie das sichaufbauende Strömungspotenzial gleichzeitig gemessen.In einem weiterentwickelten Aufbau wirddurch einen oszillierenden Kolben eine periodischesinusförmige Druckänderung erzeugt und das dannebenfalls sinusförmige Strömungspotenzial gemessen(siehe Schema in Abb. 2). Durch diese Anordnungverringert sich das Elektrolytvolumen unddie nötigen Messzeiten werden drastisch verkürzt.Dies erlaubt auch zeitaufgelöste Messungen sowieMessungen bei höheren Ionenstärken [2].Literatur[1] V. Ribitsch, C. Jorde, J. Schurz,H. J. Jakobasch (1988) „Zeta-potentialmeasurement of films, fibres, and granules“.Progr. Colloid & Polymer Sci. 77, 49-54.[2] M. Reischl, K. Stana-Kleinschek,V. Ribitsch (2005) „Adsorption of surfactantson polymer surfaces investigated with a novelzeta-potential measurement system“. Mater.Sci. Forum, eingereicht.Stefan Köstler, Martin Reischl, Volker RibitschJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHInstitut für Chemische Prozessentwicklung und -kontrolleMethoden: —Lösungen:L12Institute:I7 | I1 | I6Kontakte:K20Index Kontakte Institute Lösungen MethodenElektrokinetik | Elektrophorese | Fasern | Kolloide | Membranen | Nanopartikel | OberflächenOberflächenladung | Polymere | Tenside | Zeta-PotenzialHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005119

Lösungen undAnwendungsbeispieleHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005L

LösungenL1: AES-Querschnitts-Analyse von Ni-NanodrähtenL1: AES-Querschnitts-Analyse von Ni-NanodrähtenEine poröse Siliziumschicht mit einer Dickevon ~25 μm wurde in einem elektrochemischenÄtzprozess auf der Oberfläche von kristallinem Sihergestellt. Durch Verwendung von geeignetenÄtzparametern wurden zur Oberfläche senkrechtorientierte Poren mit einem mittleren Durchmesservon ~10 nm gebildet (Abb. 1a). Diese Poren wurdenin einem zweiten elektrochemischen Prozess mit Nigefüllt, wobei als Resultat eine unregelmäßige Anordnungvon ferromagnetischen Nanodrähten miteiner Flächendichte von ~2x10 9 mm -2 entstand.Um die Gegenwart und Homogenität der Ni-Beladung in den Mesoporen nachzuweisen, wurdeAuger-Elektronenspektroskopie (AES) verwendet.Auf Grund der beträchtlichen Dicke der porösenSi-Schicht (25 μm) konnte eine AES-Tiefenprofilanalysemit Ionenätzen nicht angewandt werden.Anstelle dessen wurde der AES-Elektronenstrahlauf verschieden tiefe Positionen unter der Probenoberflächein einem gespaltenen Probenquerschnittfokussiert, wie in Abb. 1a skizziert. Die AES-Spektren(Abb. 1b) zeigen deutlich die homogene Ni-Beladungfür Tiefen zwischen 10 und 25 mm. Auf derProbenoberfläche ist Ni in oxidierter Form vorhanden,innerhalb der porösen Schicht ist nachweislichoxidiertes Si vorhanden. Unter der Annahme einesmittleren Durchmessers der Mesoporen von ~10nm kann ein Seitenverhältnis von ~1000:1 für dieNi-Nanodrähte abgeschätzt werden.Abbildung 1:(a) Rasterelektronenmikroskopie(SEM)-Aufnahme einer gespaltenen Si-Plattenkante.Schematische Darstellungder Auger-Elektronen-Emission. (b)Auger-Elektronenspektren aus verschiedenenProbentiefen (siehe weißePunkte in Abb. 1a).a.u. … arbitrary units, d.h. beliebigeEinheiten.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenSvetlozar Surnev, Michael Ramsey, Falko NetzerKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich ExperimentalphysikOberflächen- und GrenzflächenphysikHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005123

L1: AES-Querschnitts-Analyse von Ni-NanodrähtenMethoden:M3Lösungen: —Institute:Kontakte:I11K32AES | Auger-Elektronenspektroskopie | Nanodrähte | Nickel | poröses Silizium124Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL2: AFM-Untersuchungenzum Schichtwachstum vonpolykristallinen Pentazen-DünnschichtenL2: AFM-Untersuchungen an Pentazen-DünnschichtenGrundsätzlichesZunehmend gewinnt Elektronik, die auf organischenWerkstoffen basiert („plastic electronics“),an Bedeutung, da die Miniaturisierung vonStrukturen in Polymermaterialien mit alternativen,vergleichsweise einfachen und kostengünstigenTechniken durchgeführt werden kann. Diese Miniaturisierungist im Polymerelektronikbereich abernicht die einzige Marktstrategie, da mit organischenDünnfilmtransistoren die Leistungsfähigkeitvon Siliziumtransistoren nicht erreichbar ist. Soist die Ladungsträgermobilität im besten organischenHalbleiter um drei Größenordnungen geringerals in einkristallinem Silizium. Im Hinblickauf den trotz dieser prinzipiellen physikalischenGrenzen rasanten Fortschritt der Funktionstüchtigkeitorganischer Bauelemente wird es immerwahrscheinlicher, dass organische Elektronik ineiner Reihe von Anwendungen eingesetzt wird, indenen niedrige Herstellungskosten, großflächigeAufbringung oder parallele, analoge Datenverarbeitungeine Rolle spielen, wie z.B. in aktiv geregeltenFlachbildschirmen, Smart Cards, elektronischemPapier, Identifikationsausweisen und großflächigenSensorarrays. Polymerelektronik hat gegenüberder herkömmlichen Siliziumtechnologie zwei entscheidendeVorteile: Einerseits kann bei wesentlichgeringeren Temperaturen (≤200°C) prozessiertwerden; erst dadurch wird die direkte Integrationder elektronischen Schaltkreise auf großflächigen,flexiblen, haltbaren, billigen, leichten und sogar biologischenSubstraten möglich, woraus sich ein sehrbreites Anwendungsfeld erschließt. Andererseitskönnen durch die Verwendung von organischenSubstanzen neue, unkonventionelle und auch billigeStrukturierungstechniken wie beispielsweiseNanoimprint-Lithographie eingesetzt werden, dieeine Verringerung der kritischen Strukturgrößenin den Nanometerbereich ermöglichen und auchneue Funktionalitäten erschließen.Pentazen (Abb. 1) ist ein organischer p-Halbleiter,dessen Molekül aus fünf linear kondensiertenaromatischen Ringen besteht. Pentazen-Dünnschichtenwerden im Hochvakuum (10 -5 –10 -6 mbar)durch thermische Verdampfung und Sublimationaus dem Pulver hergestellt.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Pentazen-Molekül: Strukturformel undPentazen-Anordnung in Fischgrätenstruktur.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005125

L2: AFM-Untersuchungen an Pentazen-DünnschichtenAbbildung 2:Pentazen-Dünnschichten (d = 50 nm) auf SiO 2 abgeschieden bei verschiedenen Substrattemperaturen;Aufdampfrate ~1 nm /min; die Kurven zeigen die (002)-Reflexe von entsprechenden Röntgendiffraktogrammen.Ähnlich wie andere organische Materialien bildetPentazen schwach gebundene van-der-Waals-Molekülkristallebzw. – unter geeigneten Bedingungen– hoch geordnete polykristalline Dünnschichten.Während des Kristallwachstumsprozesses ordnensich die Moleküle innerhalb der Elementarzellenin Form einer Fischgrätenstruktur an. Im Bereichdes thermodynamischen Gleichgewichts ist dieSchichtmorphologie durch die energetischen Verhältnissean der Grenzfläche bestimmt, weit außerhalbdieses Gleichgewichts dominieren kinetischeEffekte. Wenn der Transport an der Wachstumsgrenzflächeso schnell verläuft, dass Moleküle, dieauf bereits bestehende 2D-Inseln auftreffen, diesesofort wieder verlassen, resultiert daraus ein Layerby-Layer-Wachstummit glatten Oberflächen. Wennjedoch der molekulare Transport durch hinreichendgroße Diffusionsbarrieren an den Kanten der Inselnbehindert ist, startet das Kristallwachstum dernächsten Monolage, bevor die aktuelle vollständigist. Es ergeben sich ausgeprägte dreidimensionaleStrukturen.Substrat-Temperaturen und Pentazen-PolymorphismenEine erhöhte Substrattemperatur während desAufdampfprozesses führt gewöhnlich zu einerSteigerung der durchschnittlichen und der maximalenKorngröße. Dies rührt von einer erhöhtenBeweglichkeit der Moleküle auf der Oberfläche her,die zu einer besseren Ausrichtung der Moleküle,einer höheren Kantendiffusion und einer geringerenKeimbildungsrate führt. Die Korrelation zwischenSubstrattemperatur und Korngröße ist jedoch komplex,da auch andere Prozesse durch die Temperaturbeeinflusst werden. Thermische Desorptionspielt ebenso eine Rolle wie temperaturinduziertePhasenübergänge und temperaturabhängige Volumenanteileverschiedener Pentazen-Phasen. DieseEffekte sind für die beobachteten Unterschiede inKristallitgröße und -form für Schichten, die bei Substrattemperaturenvon 65°–70°C abgeschiedenwurden, verglichen zu denen bei 25°C (Abb. 2),verantwortlich. Bei höheren Temperaturen, und126Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L2: AFM-Untersuchungen an Pentazen-DünnschichtenAbbildung 3:Pentazen-Dünnschichten (d = 50 nm,T Substrat = RT) auf verschiedenen Dielektrika:thermisch gewachsenes SiO 2 ,Polyvinylphenol (PVP), Polyvinylzinnamat(PVCI) und Polymethylmethacrylat(PMMA).daher stärkerer Kantendiffusion, erhält man ehergroße Körner mit eckiger Berandung, während beiZimmertemperatur bevorzugt verzweigte Ränderauftreten. Die bei 75°C Abscheidetemperatur beobachteteVerringerung der Korngröße kann entwederauf einen erhöhten Volumenanteil der Bulk-Phasevon Pentazen oder eine stärkere thermische Desorption(bzw. auf eine Kombination beider Effekte)zurückgeführt werden. Aus Wachstumsversuchenauf PVP (Polyvinylphenol), wo Pentazen einphasigeDünnfilme auch bei erhöhten Substrattemperaturenbildet, kann gefolgert werden, dass maximaleKorngrößen bei Temperaturen zwischen 62°C und68°C erreicht werden. Der Anstieg der Korndichtebei höheren Substrattemperaturen kann auch aufein erhöhtes Verhältnis von desorbierenden zu diffundierendenMolekülen zurückgeführt werden. EinAbbildung 4:Erste Monolagen von Pentazen aufSiO 2 -Oberflächen. Aufdampfrate

L2: AFM-Untersuchungen an Pentazen-DünnschichtenAbbildung 5:Analyse des Wachstums von Pentazen-Schichten auf PVP. Links: AFM-Aufnahmen, Bedeckungsanteilder ersten Monolage, mittlere Korngröße und Körner pro 100 µm 2 . Rechts: Korngrößenverteilung.Methoden:M28 | M29Lösungen: —Institute:Kontakte:I10K13AFM | Halbleiter, organische | Morphologie | Pentazen | Rasterkraftmikroskopie | Schichtwachstum128Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL3: Anwendungen der PositronenannihilationL3: Anwendungen derPositronenannihilation –Grenzflächen, Leerstellen undfreie VoluminaUntersuchung von Grenzflächenin nanokristallinen Metallen undLegierungenIn nanokristallinen Systemen können Positronendurch Diffusion an die Grenzflächen zwischen denKristalliten gelangen, an denen sie eingefangenwerden und zerstrahlen. Aus den unterschiedlichenLebensdauern und ihren Intensitäten können Rückschlüsseauf die Topologie der Grenzflächen (Größestruktureller freier Volumen etc.) gezogen werden.Mit der Methode der koinzidenten Dopplerverbreiterungkönnen freie Volumen in Grenzschichten darüberhinaus hinsichtlich ihrer atomarer chemischenUmgebung untersucht werden (s. Abb. 1). Hiermiteröffnet sich ein neuartiger Zugang zur chemischenGrenzflächenanalytik auf atomarer Skala. Es lassensich damit u. a. Fragestellungen der Grenzflächensegregationbeispielsweise im Zusammenhang mitProzessen der Nanokristallisation und des Kristallitwachstumsuntersuchen.Chemisch empfindlicher Nachweisvon Leerstellen in Legierungen undVerbindungshalbleiternIn binären Systemen können aus den gemessenenkoinzidenten Doppler-verbreiterten SpektrenVerhältniskurven berechnet werden. Aus diesenKurven können in Verbindung mit den Ergebnissenaus Positronen-Lebensdauer-Messungen Rückschlüssegezogen werden über die Umgebung desOrtes der Annihilation. Damit lassen sich Fragenwie z.B. nach dem Untergitter, in dem Leerstellenauftreten, beantworten (s. Abb. 2).Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:(Chemische) Charakterisierung von freien Volumen in Grenzflächen nanokristalliner Materialienmit Positronen.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005129

L3: Anwendungen der PositronenannihilationFreie Volumina in PolymerenIn bestimmten Festkörpern, wie z.B. Polymeren,kann es zur Bildung eines gebundenen Zustandeszwischen dem Positron und einem Elektron kommen(sog. Positronium-Atom, s. Abb. 3). DiesesPositronium-Atom annihiliert mit Lebensdauern, diesich von den Lebensdauern in anderen atomarenDefekten unterscheiden. Aus der Analyse des gemessenenLebensdauerspektrums kann die Größedes freien Volumens bestimmt werden. Mit Hilfeder Zahl und der Größe der freien Volumen könnenz.B. Alterungsprozesse in Polymeren untersuchtwerden (s. Abb. 3).Abbildung 2:Chemische Identifikation von Gitterleerstellenin intermetallischen Verbindungenoder Verbindungshalbleitern.Abbildung 3:Bestimmung der Größe freier Volumenin einem Polymer durch Bildung undAnnihilation von Positronium-Atomen(links). Rechts: Typische Abhängigkeitdes freien Volumens von der Alterungszeitin Polymeren.130Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L3: Anwendungen der PositronenannihilationWeiterführende LiteraturNanokristalline Materialien[1] E. Shapiro, R. Würschum, H. E. Schaefer,H. Ehrhardt, C. E. Krill, R. Birringer (2000)„Structural stability and high-temperaturepositron lifetime study of mechanically alloyednanocrystalline Pd-Zr“. J. of Metastable & Nanocryst.Mater. 8, 726 – 31.[2] S. Herth, H. Rösner, A. A. Rempel,H. E. Schaefer, R. Würschum (2003) „Positronsas chemically sensitive probes in interfacesof multicomponent complex materials:Nanocrystalline Fe 90 Zr 7 B 3 “. Z. Metallkde.94, 1073 – 8.Dopplerverbreiterung[3] K. Sato, F. Baier, W. Sprengel,R. Würschum, H. E. Schaefer (2004) „Studyof an order-disorder phase transition on anatomic scale: Decagonal Al-Ni-Co quasicrystals, a case study“. Phys. Rev. Lett. 92,127403 -1– 4.Positronlebensdauerspektroskopie[4] W. Puff, S. Brunner, A. G. Balogh,P. Mascher (2002) „Induced Defects in ZnSeand ZnTe by Electron and Proton Irradiationand Defect-Annealing Behaviour“. Phys. Stat.Sol. B 229, 329– 32.Werner Puff, Roland WürschumTechnische Universität GrazInstitut für MaterialphysikMethoden:M25Lösungen: —Institute:I9Kontakte:K35chemische Umgebung freier Volumen | Doppler-Verbreiterung | Festkörperspektroskopiefreie Volumina | Grenzflächen | Leerstellen | Legierungen | nanokristalline MaterialienPolymere | Positronenannihilation | VerbindungshalbleiterIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005131

LösungenL4: Ausscheidungscharakterisierung von StählenL4: Ausscheidungscharakterisierungvon Stählen mittelsEFTEMStähle und Legierungen zählen nach wie vorzu den am häufigsten verwendeten Werkstoffenunserer Zeit. Für eine Vielzahl von Einsatzbereichenwerden Stähle unterschiedlicher chemischerZusammensetzung und Wärmebehandlung hergestellt.Die charakteristischen Eigenschaften diesesWerkstoffes hängen von vielen Faktoren ab, u. a.spielen Teilchen (Ausscheidungen), die sich durchden Herstellungsprozess und durch verschiedeneWärmebehandlungen aus übersättigten festenLösungen ausgeschieden haben, eine wichtigeeigenschaftsbestimmende Rolle. Diese Teilchenbestehen meist aus Karbiden, Nitriden oder Karbonitridenin verschiedenen Zusammensetzungenund kristallografischer Struktur. Die Größe dieserAusscheidungen liegt zwischen einem Nanometerund mehreren Mikrometern. Die Kenntnis über Ausscheidungstyp,Größe, Morphologie und auch überdie Verteilung und Dichte (Teilchen pro Volumseinheit)der Präzipitate ist für den Stahlhersteller undden Stahlanwender von essentieller Bedeutung.Ähnliches gilt für eine Vielzahl technischer Legierungen,die in den unterschiedlichsten Bereichenzur Anwendung gelangen. Die Möglichkeit, Ausscheidungenoder Segregationen an Korngrenzenbeobachten und gleichzeitig chemische Informationableiten zu können, macht EFTEM zu einer wertvollenCharakterisierungsmethode für diese Klassevon Materialien.Abbildung 1:TEM-Bild eines 10 %-Chrom-Stahlesohne (a) und mit dynamischer Beleuchtung(b). Durch dynamische Strahlverkippung(c) in Kombination mit EFTEM(Abbildung des Elementes Eisen (d))können nanometergroße Ausscheidungensichtbar gemacht werden.132Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L4: Ausscheidungscharakterisierung von StählenAbbildung 2:(a) EFTEM-Elementverteilungsbilder der Elemente Molybdän (rot), Chrom (grün) und Vanadium (blau)überlagert in einer Falschfarbendarstellung (gleicher Probenbereich wie Abb. 1). (b) Relative Häufigkeitsverteilungender M 23 C 6 , MX und Laves-Phasen.Das vorliegende Anwendungsbeispiel beschreibtdie Charakterisierung von Ausscheidungen in einem10%-Chrom-Stahl, für die erstmals eine spezielleTEM-Technik und die energiefilternde Elektronenmikroskopie(EFTEM) kombiniert wurden. Die Untersuchungenwurden an einer 33000 h gelaufenenKriechprobe aus einem martensitischen Stahlgussdes Typs G-X12CrMoWVNbN durchgeführt, wobeidie Größenverteilung der Ausscheidungen im unbelastetenSchaftbereich der Probe ermittelt wurde.Abb. 1a zeigt ein typisches TEM-Bild der Stahlprobe,aus dem unschwer zu erkennen ist, dassTeilchen mittels konventioneller TEM nicht ohneweiteres darstellbar sind. Die Hell /Dunkelmodulationenim Bild sind dabei hauptsächlich auf elementunspezifischenBeugungskontrast zurückzuführen,der die nanometergroßen Präzipitate völlig maskiertund das Erkennen selbst größerer Ausscheidungendeutlich erschwert. Durch dynamisches Verkippendes auf die Probe einfallenden Elektronenstrahlesentlang einer invertierten Pyramide („rocking beam“,Abb. 1c), gelingt es, Helligkeitsunterschiede abzuschwächen(Abb. 1b), und durch Aufnahme einesEFTEM-Bildes des Matrixelements Eisen (Abb. 1d)können dann Ausscheidungen überblicksmäßig,rasch und ohne störende Intensitätsunterschiedesichtbar gemacht werden. Der Durchmesser derdarin auftretenden kleinsten Sekundärausscheidungenbeträgt ca. 10 nm, wobei die verschiedenenAusscheidungstypen auf Basis ihres Erscheinungsbildesnicht ohne weiteres genauer klassifiziert werdenkönnen. Eine zuverlässige Phasenzuordnungmittels Elektronenbeugungstechniken wäre zwarprinzipiell möglich, allerdings müssten dazu in derPraxis von jedem Partikel individuelle Beugungsbilderaufgenommen und kristallografisch ausgewertetwerden, was den experimentellen Aufwandenorm erhöht.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005133

LösungenAbbildung 1:L5: Bestimmung der Ge-Konzentration von SiGe-LegierungenL5: Bestimmung der Ge-Konzentrationvon SiGe-Legierungenmittels EllipsometrieSilizium-Germanium-Legierungen (SiGe) findenin der Halbleiterindustrie vor allem im Hoch- undHöchstfrequenzbereich zunehmenden Einsatz.Zur Optimierung der Bauteil-Performance ist diemöglichst genaue Kenntnis der Germanium-Konzentrationvon großer Bedeutung. Der Einbau vonGermanium in das Silizium-Gitter verändert dieEigenschaften des Materials vor allem im Hinblickauf die elektronische Bandstruktur (Valenz- undLeitungsband, Bandabstand). Da die dielektrischeFunktion (letztlich die Reaktion des Materials aufeine Beaufschlagung mit einem elektrischen Feld)durch die Bandstruktur (Zustandsdichte der elektronischenNiveaus im Festkörperkristall) bestimmtwird und die dielektrische Funktion den wellenlängenabhängigenkomplexen Brechungsindex desMaterials bestimmt, kann bei hinreichend genauerMessung des letzteren der Germanium-Gehalt derLegierung bestimmt werden.Komplexer Brechungsindex einerepitaktisch gewachsenen SiGe-Schichtauf Si-Einkristall, Energiebereich von2,48 bis 5,17 eV.Im Auftrag von und in Zusammenarbeit mit derFirma austriamicrosystems wurde ellipsometrischder Germanium-Gehalt dünner SiGe-Schichten bestimmt,wobei als zusätzliche Schwierigkeit mechanischeSpannungen innerhalb der Schicht als Folgedes epitaktischen Aufwachsens auf einem Silizium-Einkristallauftraten. Abb. 1 zeigt die optischenKonstanten Brechungsindex und Absorptionskoeffizientals Funktion der Wellenlänge im Bereichdes Interbandüberganges und für verschiedeneGe-Konzentrationen (0 bis 20 Atomprozent), Abb. 2zeigt deren Verhalten im bereits vergleichsweisetransparenten Spektralbereich.Abbildung 2:Komplexer Brechungsindex einerepitaktisch gewachsenen SiGe-Schichtauf Si-Einkristall, Energiebereich von1,13 bis 2,48 eV.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005135

L5: Bestimmung der Ge-Konzentration von SiGe-LegierungenIn Abb. 3 ist der Vergleich zwischen ellipsometrischerhaltenen Konzentrationswerten und der„Eichgeraden“, die aus röntgendiffraktometrischenMessungen (die Kantenlänge der Elementarzellensenkrecht zur Schichtebene ist eine Funktion derGe-Konzentration) erhalten wird, gezeigt. Es konnteeine sehr gute Übereinstimmung erzielt werden.Für die freundliche Genehmigung zur Veröffentlichungder gezeigten Ergebnisse danken wir derFa. austriamicrosystems.Georg JakopicJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialien und PhotonikAbbildung 3:Vergleich der Methoden Röntgendiffraktometrieund Spektralellipsometriezur Bestimmung des Ge-Gehaltes vonSiGe-Legierungen (s. blaue Kurve;schwarze Linie = „Idealkurve“).Methoden:M9Lösungen: —Institute:Kontakte:I10K16Bandabstand | dielektrische Funktion | Ellipsometrie | RöntgendiffraktometrieSilizium-Germanium-Legierung136Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL6: Bewertung von magnetischenPigmentschichten aufPET-Folien mittels SQUID-MagnetometrieAbbildung 1:L6: Bewertung von magnetischen PigmentschichtenUm die Beständigkeit von auf Magnetkartenund magnetischen Folien codierten Informationensicherzustellen, müssen bestimmte Anforderungenan die magnetischen Eigenschaften des auf dieFolie aufgeprägten magnetischen Pigments (etwaFe 3 O 4 , γ-Fe 2 O 3 ) eingehalten werden: etwa die Stärkeder Restmagnetisierung nach dem Einschreibeneiner magnetischen Codierung. Im einfachsten Fallekann die „Stärke“ der remanenten Magnetisierungdurch Einhalten einer bestimmten Schichtdickeoder eines bestimmten Füllgrades der magnetischenSchicht garantiert werden.Magnetische, mit einem SQUID-Magnetometeraufgenommene Pigmentschichtauf einer PET-Folie.Die wichtigsten magnetischen Eigenschaftendünner Filme sind:die Gestalt der Hysteresekurve(„Loop Squareness“)die Remanenz und Sättigungsmagnetisierung,für Schichtproben in Weber/Meter (Wb /m)ausgedrücktdie Koerzitivfeldstärke in Ampere /Meter (A /m)Die Aufgabe des Herstellers war die Fabrikationeiner 10 µm dicken magnetischen Pigmentschichtauf einer PET-Folie mit einer geforderten minimalenRestmagnetisierung >400 nWb /m. Die Messungenwurden an kleinen Folienstücken (2 x 5 mm 2 )mit dem SQUID-Magnetometer durchgeführt(s. Abb. 1).Diese Arbeit erfolgte in Kooperation mit derFa. HUECK FOLIEN GmbH, Baumgartenberg.Methoden:M16Lösungen: —Institute:Kontakte:Heinz KrennKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Magnetometrie und PhotonikI11K2Index Kontakte Institute Lösungen Methodenmagnetische Funktionswerkstoffe und -polymere | magnetische Pigmente | MagnetometriePolymere | Remanenzmagnetisierung | SQUID-MagnetometrieHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005137

LösungenL7: Charakterisierung von AusscheidungenL7: Charakterisierung vonAusscheidungen in Schnellarbeitsstählenmittels Röntgenkleinwinkelstreuung(SAXS )Bei Schnellarbeitsstählen handelt es sich umhochlegierte Fe-Basislegierungen von hoher Härteund Festigkeit bei adäquater Zähigkeit. Die Eigenschaften,insbesondere die hohe Festigkeit,ergeben sich aus nanometergroßen Karbidausscheidungender Legierungselemente Molybdän,Vanadium und Chrom.Durch SAXS-Messungen (Abb. 1) an Serienvon Schnellarbeitsstählen mit unterschiedlichenAnlasstemperaturen und /oder unterschiedlichenAnlasszeiten können aus den Streukurven (Abb. 2)beispielsweise Aussagen über Größe und Verteilungder bei der Wärmebehandlung entstehendenAusscheidungen (MC-, M 2 C- und M 6 C-Karbide)getroffen werden.Abbildung 1:Schematischer Aufbau der SAXS-Anlage des MCL am Standort Erich-Schmid-Institut in Leoben.138Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L7: Charakterisierung von AusscheidungenLiteratur:[1] P. Fratzl, J. L. Lebowitz (1989) „Universalityof scaled structure functions in quenchedsystems undergoing phase separation“.Acta Metall. 37, 3245 – 8.[2] A. Guinier, G. Fournet (1955) „Small-AngleScattering of X-rays“. John Wiley, New York.268 Seiten.[3] G. Porod (1951) „Die Röntgenkleinwinkelstreuungvon dichtgepackten kolloiden Syste-Da in derartigen Systemen die Ausscheidungennach einer selbstähnlichen Entwicklung vergröbern men“. Kolloid Z. 124, 83 –114.[1], erhält man nach einer Skalierung der Streufunktionenmittels einfacher Näherungsverfahren ratory SAXS System for Materials Science[4] K. Erlacher (2003) „Optimization of a Labo-[2,3] typische Parameter wie die mittlere Größe Applications“. Dissertation (2003), MontanuniversitätLeoben. 136 Seiten.und den mittleren Abstand der Ausscheidungen[4] (Abb. 3).Richard GörglMaterials Center Leoben Forschung GmbH,Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für Materialwissenschaftund Montanuniversität Leoben, Department MaterialphysikAbbildung 2: Streusignal einer Schnellarbeitsstahlprobe sowie die skalierten Streukurven.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005139

L7: Charakterisierung von AusscheidungenGyrationsradius [Å]Teilchenabstand [Å]Abbildung 3:Typische untersuchte Parameter von Ausscheidungen in Legierungen.Methoden:M35 | M36Lösungen: —Institute:Kontakte:I15 | I3K10Ausscheidungen | Metalllegierungen | Röntgenkleinwinkelstreuung | SAXS | Stähle140Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL8: Chemische Zusammensetzung einer ultradünnen SchichtL8: Chemische Zusammensetzungeiner ultradünnenFulleren-Schicht (C 60) – XPS-UntersuchungenIm Zusammenhang mit der Herstellung von organischenHalbleiterbauelementen werden unteranderem ultra-dünne C 60 -Schichten (C 60 = „Kohlenstoff-Fußbälle“)verwendet. Die elektrischen Eigenschaftenhängen entscheidend von der Qualität(Struktur und Reinheit) dieser Schicht ab. Dasvorliegende Beispiel (s. Abb. 1) zeigt die chemischeZusammensetzung der C 60 -Schicht, die bei dreiunterschiedlichen Präparationsbedingungen aufeiner anderen organischen Schicht, die auf Glasaufgebracht war, abgeschieden worden ist. Mansieht deutlich, dass im Fall c) die Schichten amhomogensten sind, da praktisch kein Signal vomGlassubstrat mehr zu sehen ist. Auch der Sauerstoffgehalt,offensichtlich durch Adsorption ausder Luft, ist bei den drei Proben unterschiedlich.Die Kombination dieser Daten mit den zugehörigenelektrischen Eigenschaften ermöglicht die Optimierungder Präparationsbedingungen.Adolf WinklerTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikAbbildung 1:Methoden:XPS-Spektren einer ultradünnen Fulleren-Schicht(C 60 ).M32Lösungen: –Institute:Kontakte:Dünnschichten | Fullerene | Photoelektronenspektroskopie | XPSI8K50Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005141

LösungenL9: Der Effekt aromatischer QuellungsagenzienL9: Der Effekt aromatischerQuellungsagenzien auf innereOberfläche und Porengrößein mesoporösen Silikaten– Untersuchungen mittelsSAXSMesoporöse Silikate dienen immer häufiger alsWirtsstruktur in verschiedensten Bereichen wie z.B.der heterogenen Katalyse, in elektronischen oderoptischen Anwendungen, als Adsorptionsmediumoder in Membrantrennverfahren.Die als M41S bezeichnete Substanzklassebesitzt eine enorme spezifische Oberfläche von> 1000 m 2 g -1 sowie eine – im Gegensatz zu zahlreichenanderen mesoporösen Materialien – durchdie Synthesebedingungen definiert einstellbarePoren.Im gegenständlichen Fall wurden mesoporöseM41S-Silikate aus Silikatgelen mittels wässriger,mizellarer Template-Lösungen aus HTMA-Bromidund DTMA-Bromid hergestellt. Die Größe und Formdieser Mizellen kann durch Einlagerung bestimmterQuellungsagenzien (Benzol, Mesitylen, TiBP),in Abhängigkeit von deren Größe und Polarität,beeinflusst werden. Das fertige Gel wurde dannbei 540°C kalziniert, um die organische Phasezu entfernen und ein mesoporöses Material mitdefinierter Porengröße im Nanometerbereich zuerzeugen (s. Abb. 1).Abbildung 1:Herstellung mesoporöser Silikate.142Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L9: Der Effekt aromatischer QuellungsagenzienUm die Effekte dieser Substanzen zu studieren,wurden zwei Methoden eingesetzt: dieBET(Brunauer-Emmet-Teller)-Gassorption, undRöntgenkleinwinkelstreuung (Small-Angle X-rayScattering, SAXS). Mittels SAXS konnte der Korrelationsabstandder Poren in Abhängigkeit vomQuellungsagens (Mesitylen und TiBP, s. Abb. 2) bestimmtwerden, und sogar eine gewisse Konzentrationsabhängigkeitvon der Menge des eingesetztenAgens (TiBP) festgestellt werden.BET und SAXS lieferten beim fertig kalziniertenProdukt hervorragende Übereinstimmung bei denWerten für die innere Oberfläche (s. Abb. 3) und diePorengröße. Die Unterschiede betrugen wenigerals 3%.Da BET vollständig trockene Proben benötigt,war SAXS die Methode der Wahl, um den Bildungsprozessder inneren Oberfläche während der Reaktionin wässriger Phase bei 100°C zu verfolgen(s. Abb. 4).Marco Lüchinger, Gerhard D. Pirngruber,Benedikt Lindlar, Peter Laggner, Roel PrinsHECUS XRS GmbHIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 2:SAXS-Kurven von M41S mit verschiedenen Quellungsagenzien in variierender Konzentration. Der Einflussauf den Korrelationsabstand ist deutlich erkennbar.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005143

L9: Der Effekt aromatischer Quellungsagenzien1 … Mesitylene2 … TiPB (tri-isopropylbenzene 20 %3 … TiPB 40 %4 … TiPB 80 %Abbildung 3:Vergleich der Resultate für innere Oberflächenzwischen BET und SAXS.Abbildung 4:Zeitverlauf der inneren Oberflächenentwicklungvon M41S (100°C) und Effektvon drei Neutralisationsschritten (22 h,44 h, 66 h).Methoden:M35 | M36 | M14Lösungen: —Institute:Kontakte:I5K25 | K26mesoporös | Porengröße | Röntgenkleinwinkelstreuung | SAXS144Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL10: Device Modificationmittels Focused Ion Beam(FIB)L10: Device Modification mittels Focused Ion Beam (FIB)Eine „Focused Ion Beam (FIB)“-Anlage, ausgestattetmit den entsprechenden ZusatzsystemenwieInsulator Enhanced Etch (IEE) Gas InjectionSystem (GIS),Enhanced Etch GIS (für elektrische Leiter),Pt-deposition GIS (für die Abscheidung vonelektrisch leitenden Verbindungen) bzw.Tetraethylorthosilicate (TEOS) GIS (für dieAbscheidung von isolierenden Schichten),eignet sich neben den AnwendungsbereichenTEM-Lamellen-Zielpräparation und Nanostrukturierunghervorragend für die sogenannte DeviceModification.Unter Device Modification, oft auch Chip Modificationoder Nano Surgery genannt, versteht mannachträgliche Veränderungen im Design und inder Funktionalität eines bereits produzierten Halbleiter-Bauelements.Dies umfasst eine Vielzahl vonMöglichkeiten, die je nach Bedarf und dem damitverbundenen Kostenaufwand durchgeführt werdenkönnen.Bedenkt man, dass ein Mikrochip im Grunde„nur“ aus vielen elektronischen Schaltkreisen,deren Größe im Mikrometerbereich liegt, zusammengesetztist, so ist leicht nachvollziehbar, dassdurch Änderungen in den einzelnen logischenSchaltkreisen oder in der Ansteuerung größererSchaltkomplexe die Funktionalität eines gesamtenBauelementes auf spezielle Anforderungen abgestimmtwerden kann.Die dafür notwendigen Modifikationen sind mitder seit mehr als einem Jahrzehnt verfügbarenTechnologie des fokussierten Ionenstrahls (FIB),die das positionierte Schneiden, Abtragen und Abscheidenvon Material bis hinab zu einer lateralenAuflösung von ~20 nm erlaubt, durchführbar.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Kreuzverbindung zweier Leiterbahnenmittels Pt-Abscheidung.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005145

L10: Device Modification mittels Focused Ion Beam (FIB)Abhängig von dem vorliegenden Packaging(Kapselung) kann das Bauelement direkt oder mitkurzer vorheriger Präparation in der FIB-Anlage modifiziertwerden. Dabei unterscheidet man zwischeneinem Keramik-Packaging, wobei der Chip gebondet,aber ansonsten frei liegt und ohne Präparationdirekt in der FIB-Anlage bearbeitet werden kann,und dem Kunststoff-Packaging, bei dem der Chipvorher freigeätzt werden muss.Einerseits ist es möglich, bereits in Betrieb befindliche,fehlerhafte Mikrochips zu reparieren, oderdiese, wenn sie von Grund auf optional multifunktionalaufgebaut sind, auf einen einzigen Aufgabenbereichzu beschränken. Der dafür notwendige Arbeitsaufwandbeschränkt sich in den meisten Fällenauf die Unterbrechung einzelner Leiterbahnen undderen eventueller Neuverbindung (Abb. 1).Andererseits kann eine bereits bestehendeProduktionslinie genutzt werden, um durch kleineÄnderungen der zugehörigen Masken erheblichkostengünstiger die gesamte Funktionalität derChipserie zu verändern. In diesem Fall wird dasRe-design vorher vom Hersteller mittels Softwaresimuliert, und anschließend werden mehrere modifiziertePrototypen in der FIB hergestellt. StimmenSimulation und Modifikation reproduzierbar überein,so kann dann die Maske dementsprechendverändert werden.Der große Anreiz für diese Art der Modifikationliegt in den geringeren Kosten: Lagen die Maskenkostenfür die 0,13 µ-Technologie (Gatelänge)Ende der 90er Jahre noch bei rund 300.000 bis400.000 Euro, so betragen sie heute für die Maskender 0,045 µm- oder 45 nm-Technologie bereits rund2 Mio. Euro.Eine dritte Art der Modifikation, die indirekt aufdie Funktionalität Einfluss nimmt, liegt in der Qualitätssicherungund Fehleranalyse: Dabei werdenentweder stichprobenartig oder systematisch ausder Produktion Proben zur TEM-Lamellen-Präparationentnommen, um mögliche mangelhafteProduktionsschritte zu erkennen und nötigenfallszu verbessern.Julian WagnerTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazMethoden:M13Lösungen: —Institute:I4Kontakte:K44 | K47FIB | Chip | Device Modification | Focused Ion Beam146Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL11: Eigenspannungs-CharakterisierungenL11: Eigenspannungs-Charakterisierungenmittels RöntgendiffraktometrieEigenspannungen in technischenAnwendungenRöntgendiffraktion ist ein leistungsstarkes Hilfsmittelbei der Charakterisierung von Eigenspannungenin kristallinen Werkstoffen. In technischen sowietechnologischen Applikationen wie Schneidewerkzeugen,Schutzabdeckschichten und Schweißteilenbeeinflussen solche mechanischen Spannungendas Verhalten der Anwendungen auf wesentlicheWeise. Die Spannungen nehmen direkten Einflussauf Lebensdauer, Ermüdungserscheinungen, Härteund Festigkeit jeglicher metallisch-kristallinerBauteile. Folglich ist die Charakterisierung von Eigenspannungenein wesentlicher Bestandteil fürdie Festlegung und Optimierung technologischerProzesse und deren Parameter. Dabei ermöglichtdie Röntgendiffraktion (XRD) die zerstörungsfreieUntersuchung von kristallinen Materialien durchBeugung von Röntgenstrahlung.Experimenteller Ansatz und instrumentelleAusstattungMit Hilfe modernster Versuchsanlagen sowieden, durch die intensive Zusammenarbeit mit Universitätsinstituten,neuesten wissenschaftlichenErkenntnissen werden am Materials Center Leoben(MCL) Eigenspannungs-Charakterisierungenfür die Optimierung industrieller Anwendungen,aber auch zu industriellen Forschungszweckendurchgeführt.Die Spannungsmessungen erfolgen mit einemVierkreisdiffraktometer (Abb. 1). Für temperaturabhängigeMessungen ist das Messgerät miteiner Heizkammer ausgestattet (Abb. 2). DieseKombination modernster Analysegeräte ermöglichtgenaueste, ortsaufgelöste Spannungs- undDehnungsanalysen an Werkstücken jeglicher Art.Dabei können die Proben in einem Temperaturbereichvon 25 – 900°C sowohl an Luft als auch unterverschiedenen Schutzgasatmosphären untersuchtwerden (Vakuum, N 2 , O 2 , He usw. ). Der wissenschaftlicheHintergrund der Mitarbeiter sowie diehervorragende technische Ausstattung erlaubendem MCL sich spezifischen Problemstellungen zuwidmen und individuelle Lösungen für den Kundenauszuarbeiten.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Röntgen-Vierkreisdiffraktometer Bruker-AXS „D8 Discover“ mit Eulerwiege.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005147

L11: Eigenspannungs-CharakterisierungenTypische AnwendungsgebieteEin Beispiel für SpannungscharakterisierungQuantitative Charakterisierung vonEigenspannungen und Eigenspannungsverteilungenan industriellen AnwendungenOrtsaufgelöste Messungen –EigenspannungskartenEigenspannungsuntersuchungen imTemperaturbereich 25 – 900°CStudien über Spannungsrelaxation, plastischeVerformungen, Adhäsionsproblematikensowie Zuordnungen intrinsischer undextrinsischer SpannungsbeiträgeSpannungscharakterisierung in Multischicht-Anwendungen mit Fokus auf Spannungs-Entwicklungen in speziell ausgewähltenZwischenschichtenEinfluss von Pufferschichten auf den Spannungszustandin Dünnschichtfilmen„Stress Engineering“ fürDünnschichtanwendungenTiefenabhängige Spannungsprofile(„depth profiling“)Ermittlung des Einflusses von Glühprozessenauf Spannungszustände sowie der Auswirkungvon Strahlungsschädigungen aufMaterialienStress [MPa]Abb. 3 zeigt die Ergebnisse einer In-situ-Eigenspannungscharakterisierungin Zwischenschichteneiner Multischichtstruktur bestehend aus denMaterialien Al /AlN /Al 2 O 3 (0001). Die Messungwurde mittels Röntgendiffraktion in einem Temperaturbereichvon 25 – 550°C durchgeführt. Dabeibetrugen die Dicken der Aluminium(Al)- undAluminiumnitrid(AlN)-Schichten zwischen 100 und500 nm.Abbildung 3:Ergebnis der Spannungsuntersuchungeiner Multischicht-Probe.Abbildung 2:Heizkammer DHS 900 (Fa. Anton Paar)zur Erweiterung des Zugänglichkeitsbereichesfür Spannungsuntersuchungenbei erhöhten Temperaturen.148Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L11: Eigenspannungs-CharakterisierungenDie Ergebnisse zeigen, dass durch den Glühprozesseine plastische Verformung der Aluminiumschichthervorgerufen wird, deren Folge einewesentliche Steigerung der mechanischen Zugspannungenist. Weiters zeigt sich eindeutig eineRelaxation der mechanischen Druckspannungenin der Aluminiumnitridschicht.Methoden:M15 | M42Josef Keckes, Ernst Eiper Lösungen: –Materials Center Leoben Forschung GmbH,Institute:I15 | I3Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft Kontakte:K18 | K19und Montanuniversität Leoben, Department MaterialphysikEigenspannungsanalyse | Röntgendiffraktometrie | Spannungen, extrinsischeSpannungen, intrinsische | XRDIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005149

LösungenL12: Elektrokinetische Messungen (Zeta-Potenzial)L12: ElektrokinetischeMessungen (Zeta-Potenzial)zur Charakterisierung vonNanostrukturenDie Bestimmung der elektrokinetischen Eigenschaftenvon makroskopischen Oberflächen wieFilmen, Fasern und Membranen ist in vielen Bereichender Nanotechnologie von großer Bedeutung.Aufgrund der Oberflächenselektivität der Methodeeignet sich die Zeta-Potenzial-Messung sehr gut zurCharakterisierung von Prozessen zur Oberflächenmodifikationvon Materialien im Nanometerbereich.Das Zeta-Potenzial dient zur Charakterisierung derelektrischen Oberflächeneigenschaften sowie zurBestimmung von neu eingeführten oder modifiziertenOberflächengruppen oder Schichten.Eine sehr häufige Anwendung ist die Untersuchungvon plasmamodifizierten [1] oder photochemischmodifizierten [2] Polymeroberflächen. Sokann z.B. die Bildung von dissoziierbaren Gruppenin der dünnen Oberflächenschicht durch eine Verschiebungdes isoelektrischen Punktes und dieAusbildung eines charakteristischen Potenzialplateausim sauren oder basischen Bereich nachgewiesenwerden (Abb. 1).Das Zeta-Potenzial ist auch eine wichtige Methodezur Charakterisierung von Nanostrukturen,die durch Selbstanordnungsmechanismen anOberflächen gebildet werden. Das sind z.B. Adsorptionsschichtenoberflächenaktiver Substanzen,„self-assembled monolayers (SAMs)“ von Thiolen[3] oder Beschichtungen von Oberflächen mit Nanopartikeln[4]. Solche Nanobeschichtungen könnenden entsprechenden Materialien ganz speziellechemische und physikalische Eigenschaften verleihenund erlangen daher steigende technologische,aber auch biomedizinische Bedeutung.Abbildung 1:Zeta-Potenzial-Verlauf bei sauren oderbasischen Oberflächengruppen.Abbildung 2:Zeitaufgelöste Messung der Tensidadsorptionan einer Polymeroberfläche.150Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L12: Elektrokinetische Messungen (Zeta-Potenzial)Mit der so genannten oszillierenden Messmethodekann auch die Bildung solcher selbstorganisierterStrukturen zeitaufgelöst untersuchtwerden [5] (Abb. 2). Eine weitere wichtige Gruppevon Nanostrukturen sind sogenannte Layer-by-Layer-Multischichtsysteme. Das sind nur wenigeNanometer dünne Polymerfilme, die durch abwechselndeAdsorption verschieden geladenerPolymere mit definierten Eigenschaften hergestelltwerden können. Der Aufbau und wichtige Eigenschaftensolcher Nanobeschichtungen sind sehrgut über Strömungspotenzialmessung zugänglich[6] (Abb. 3).Dieselben Anwendungsfelder treffen auch fürPartikel im Nanometermaßstab zu. Oberflächenmodifikationenund der Aufbau von selbstorganisiertenStrukturen an der Oberfläche von NanopartikelnAbbildung 3:können über elektrokinetische Methoden in gleicherWeise wie auf makroskopischen Oberflächenstudiert werden. Dies ist besonders wichtig bei derBildung dünner Schichten auf organischen Partikeln,da diese mit anderen Methoden nur relativschwer zugänglich sind. Aber auch anorganische„core-shell“-Nanopartikel können über die elektrokinetischenEigenschaften gut charakterisiertwerden [7].Für alle Arten von Nanopartikel- und Pigmentdispersionenist das Zeta-Potenzial darüber hinausvon zentraler Bedeutung, da es die elektrostatischenAbstoßungskräfte zwischen den Partikelnbestimmt. Diese elektrostatische Abstoßung istmeist die dominierende Einflussgröße auf die Stabilitätder Dispersion. Daher ist die Kontrolle desZeta-Potenzials einer der wichtigsten Parameterbei der Formulierung und Verarbeitung von Nanopartikel-und Pigmentdispersionen.Schema von Polyelektrolyt-Nanobeschichtungen und Zeta-Potenzial-Kurven des Substrats sowie anionischbzw. kationisch terminierten Multischichtsystemen.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005151

L12: Elektrokinetische Messungen (Zeta-Potenzial)Literatur[1] L. Tusek, M. Nitschke, C. Werner, K. Stana-Kleinschek, V. Ribitsch (2001) „Surface characterizationof NH 3 plasma treated polyamide6 foils“. Colloids Surfaces A: Physicochem.Eng. Aspects 195, 81– 95.[2] U. Meyer, S. Köstler, V. Ribitsch, W. Kern(2005) „Photochemical surface modificationof polytetrafluoroethylene with hydrazine: characterizationof the surface with zeta-potentialmeasurements and spectroscopic techniques“.Macromol. Chem. Phys. 206, 210 –7.[3] R. Schweiss, P. B. Welzel, C. Werner, W.Knoll (2001) „Interfacial charge of organic thinfilms characterized by streaming potential andstreaming current measurements“. ColloidsSurfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 195,97–102.[4] M. Bele, S. Pejovnik, J. O. Besenhard,V. Ribitsch (1998) „Substrate-induced coagulationof carbon black on gelatine-modifiedprinted wiring board surfaces: Part 1“. ColloidsSurfaces A: Physicochem. Eng. Aspects143, 17–26.[5] M. Reischl, K. Stana-Kleinschek, V. Ribitsch(2005) „Adsorption of surfactants onpolymer surfaces investigated with a novelzeta-potential measurement system“. Mater.Sci. Forum, eingereicht.[6] S. Köstler, V. Ribitsch, K. Stana-Kleinschek,G. Jakopic, S. Strnad (2005) „Electrokineticinvestigation of polyelectrolyte adsorptionand multilayer formation on a polymersurface“. Colloids Surfaces A: Physicochem.Eng. Aspects, in Druck.[7] R. C. Plaza, F. González-Caballero, A. V.Delgado (2001) „Electrical surface charge andpotential of hematite /yttrium oxide core-shellcolloidal particles“. Colloid Polymer Sci. 279,1206 –11.Stefan Köstler, Martin Reischl, Volker RibitschJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHInstitut für Chemische Prozessentwicklungund -kontrolleMethoden:M45Lösungen: —Institute:I7Kontakte:K20Adsorption | Beschichtungen | Dispersionen | Dünnschichten | Elektrokinetik | ElektrophoreseFasern | Kolloide | Membranen | Nanopartikel | Oberflächen | OberflächenladungOberflächenmodifikation | Pigmente | Polymere | Self-Assembly | Tenside | Zeta-Potenzial152Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenAbbildung 1:LEED-Bild einer Goldeinkristalloberfläche.L13: Epitaktisches Wachstum von organischen SchichtenL13: Epitaktisches Wachstumvon organischen Schichtenauf einer Goldeinkristalloberfläche– Untersuchungenmittels LEEDUnter epitaktischem Aufwachsen verstehtman das geordnete (einkristalline) Wachsen einerSchicht auf einem einkristallinen Substrat. Im vorliegendenBeispiel wurde Quaterphenyl auf Au(111)aufgedampft und auf Struktur und Ordnung untersucht.Abb. 1 zeigt das LEED-Bild des Goldsubstrats.Es ist deutlich die 6-zählige Symmetrie derAu(111)-Oberfläche zu erkennen. Das sternförmigeMuster um jeden einzelnen Reflex weist auf eineBesonderheit hin, nämlich dass die Goldoberflächeeine Rekonstruktion (Umordnung) im Vergleich zurNetzebene im Volumen aufweist. Solche rekonstruierteOberflächen können als sogenannte Templates(Vorlagen) für nanostrukturierte Schichtenverwendet werden.Abbildung 2:LEED-Bild einer Monolage Quaterphenylauf einer Au(111)-Oberfläche.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005153

L13: Epitaktisches Wachstum von organischen SchichtenAbb. 2 zeigt das LEED-Bild einer monomolekularenSchicht eines organischen Materials (Quaterphenyl),adsorbiert auf einer Au(111)-Oberfläche.Die Analyse des Bildes ergibt, dass die Schichthochgeordnet ist, und dass verschiedene Domänen(verschieden orientierte geordnete Bereiche) vorliegen.Aus dem Vergleich der LEED-Bilder mit undohne organische Schicht kann auf die epitaxielleAnordnung der Schicht geschlossen werden. DieStruktur der organischen Schicht ist insbesonderefür die elektrischen und optischen Eigenschaften imHinblick auf den Einsatz in der organischen Opto-Elektronik von Bedeutung.Methoden:M7Lösungen: —Adolf WinklerTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikInstitute:Kontakte:I8K50Elektronenbeugung | Epitaxie | Gold(111) | LEED | Quaterphenyl154Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL14: EPR: Wie kommunizieren Elektronenlücken ?L14: EPR: Wie kommunizierenElektronenlücken in leitendenPolymeren?Organische Leiter finden vermehrt Verwendungin zahlreichen technischen Anwendungen wie z.B.Displays oder Dioden. Noch gibt es auf diesemGebiet bedeutenden Entwicklungsbedarf, vor allemin Hinblick auf die Haltbarkeit und molekulareOptimierung. Ein wesentlicher Aspekt elektrischleitender organischer Verbindungen ist die Delokalisationstendenzder freien Elektronen innerhalbeiner (polymeren) Kette. Falls eine ausgedehnteDelokalisation eines Elektrons notwendig ist, umeinen effizienten Leiter zu produzieren, müssenlangkettige Polymere synthetisiert werden, andererseitserfordert eine ausgeprägte Lokalisationnur kurze Ketten. Mit Hilfe kurzkettiger Oligomeredes Polyanilins (Abb. 1) wurde untersucht, über wieviele Anilineinheiten eine Elektronenlücke „wandert“(s. [1]).Die in Abb. 1 vorgestellten Dimere, Tertamereund Hexamere des Anilins wurden mit elektrochemischenund chemischen Methoden oxidiert. Diesführt zur Bildung sogenannter Radikalkationen.Diese Spezies kann man mittels der Methodender (para)magnetischen Resonanz untersuchen.Abb. 2 zeigt das EPR-Spektrum von 4 (s. Abb. 1)nach der Oxidation, die entsprechende Simulationund ein Doppelresonanzspektrum (ENDOR), welcheseinen erweiterten Einblick in die elektronischeStruktur erlaubt.Abbildung 2:EPR-Spektrum von 4 (s. Abb. 1) nachOxidation (oben) und die entsprechendeSimulation (unten) sowie einENDOR-Spektrum.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Oligomere des Polyanilins.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005155

L14: EPR: Wie kommunizieren Elektronenlücken ?Die Auswertung der experimentellen Daten allerDerivate 1–7 (s. Abb. 1) unter Zuhilfenahme quantenmechanischerRechenverfahren ergibt, dasssich die Elektronenlücke nur über maximal dreiAnilineinheiten ausbreitet (Abb. 3).Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass dieLeitfähigkeit des Polyanilins vor allem auf ein „Elektronenhopping“(Abb. 4) zwischen Polymerkettenberuht und nicht auf Delokalisation innerhalb einesPolymerstrangs. Damit ist für die Leitungseigenschaftendes Polyanilins der Polymerisationsgradnicht der entscheidende Parameter.Abbildung 3:Molekularer Bereich mit Delokalisationeiner Elektronenlücke entlang einerPolyanilinkette.Literatur[1] B. Grossmann, J. Heinze, T. Moll, C. Palivan,S. Ivan, G. Gescheidt (2004) „ElectronDelocalization in One-Electron OxidizedAniline Oligomers, Paradigms for Polyaniline.A Study by Paramagnetic Resonance in FluidSolution“. J. Phys. Chem. B 108, 4669 –72.Abbildung 4:Methoden:Elektronenleitung in Polyanilin: die rotenPfeile bezeichnen die Delokalisationzwischen Polymerketten.M12Lösungen: —Georg GescheidtTechnische Universität GrazInstitut für Physikalische und Theoretische ChemieInstitute:Kontakte:I13K8elektroaktive Materialien | EPR | ESR | Polymere, leitende156Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL15: EPR-Untersuchungenvon Photoinitiatoren für dieHärtung von LackenAbbildung 1:L15: EPR: Photoinitiatoren für die Härtung von LackenRadikale stehen im Fokus zahlreicher industriellerProzesse. Die Eigenschaften solcher paramagnetischerund hoch-reaktiver Spezies werden spezifischmittels Methoden der (para)magnetischenResonanz untersucht. Hier kommen EPR (ElectronParamagnetic Resonance)- oder (synonym) ESR(Electron Spin Resonance)-Spektroskopie sowiefortgeschrittene Techniken (ENDOR (Electron NuclearDOuble Resonance), TRIPLE (electron nuclearTRIPLE resonance) und EIE (ENDOR-Induced EPR)zum Einsatz. Der Zeitverlauf von Radikalreaktionenkann mittels TR-EPR (Time-Resolved EPR) aufgeklärtwerden. Eine von der magnetischen Kernresonanzabgeleitete Methode, nämlich CIDNP(Chemically Induced Dynamic Nuclear Polarization),ist in der Lage, spezifisch gebildete Reaktionsproduktenachzuweisen. Die hier genanntenMethoden repräsentieren den Stand der Technik,umfassen den Einsatz von Lasern und erforderneigene instrumentelle Entwicklungen. TheoretischeBerechnungen werden zur Rationalisierung experimentellerErgebnisse hinzugezogen.Härtung mittels Photoinitiator.Beispiel: Wie funktioniert die Härtungvon Lacken mittels Photoinitiatoren?In dem aufzutragenden Lack befinden sich diezu polymerisierenden Monomere, Bindemittel, Additivezur Einstellung der gewünschten Eigenschaften,Farbstoffe oder Pigmente und der Photoinitiator(Abb. 1).Die Bestrahlung mit Licht bewirkt die kontrollierteSpaltung des Photoinitiatormoleküls. Dabeientstehen sehr reaktive Molekülfragmente, sogenannteRadikalpaare (gezeigt als rote und blaueBruchstücke in Abb. 1). Diese Radikale initiiereneine Polymerisation, indem sie mit einem Monomerreagieren. Nach dieser Startreaktion wächstein Polymer. Die so gebildeten Polymerketten, dieuntereinander dreidimensional vernetzt sind, bildendie harte Schutzschicht. Für die Qualität derBeschichtung ist der Photoinitiator wesentlich verantwortlich.Der Initiator muss selektiv auf die verwendeteLichtquelle reagieren, und die Belichtungmuss zu einer möglichst quantitativen Spaltungdes Initiatormoleküls führen, damit eine effizientePolymerisation initiiert wird.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 2:Schema einer photoinitiierten Polymerisation.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005157

L15: EPR: Photoinitiatoren für die Härtung von LackenWie stellt man nun auf molekularer Ebenefest, wie gut ein Photoinitiator ist?Der Photoinitiator A-B absorbiert das eingestrahlteLicht. Die so erhaltene Überschussenergiewird zur homolytischen Spaltung einer chemischenBindung umgesetzt. An die so entstandenen Radikaleaddiert sich zunächst ein Monomermolekül(Startreaktion), anschließend weitere Monomere(Abb. 2).Diese entscheidenden Schritte der photoinitiiertenPolymerisation finden innerhalb weniger Nanosekunden(10 –9 s) statt. Will man diese Schritte aufder entscheidenden Zeitskala – also zeitaufgelöst– untersuchen, muss man sich relativ aufwändigerApparaturen bedienen. Zunächst benötigt man einenmöglichst kurzen Lichtimpuls, der die Spaltungdes Initiatormoleküls bewirkt. Dies wird am bestendurch den Einsatz eines Lasers erreicht. Die durchden Laserpuls erzeugten Radikale müssen detektiertwerden. Auf welchem Weg das RadikalpaarA• + B• gebildet wird und wie es weiterreagiert, erfährtman durch die Auswertung des entsprechendenCIDNP-Spektrums (Abb. 3). Die zeitaufgelösteTR-EPR-Methode zeigt in Echtzeit den Ablauf derStartreaktion (Abb. 4)Untersuchungen an zahlreichen Photoinitiatorsystemenliefern Auskunft über ihre Struktur undReaktivität. Der Vergleich zwischen experimentellenDaten und mittels theoretischer quantenmechanischerRechnungen berechneten Größen führtzu Struktur-Wirkungsbeziehungen. Damit wird einwesentlicher Beitrag zum Design neuer Photoinitiatorengeleistet.Literatur[1] K. Dietliker, T. J. Jung, J. Benkhoff, H.Kura, A. Matsumoto, H. Oka, D. Hristova,G. Gescheidt, G. Rist (2004) „New developmentsin photoinitiators“. Macromol. Symp.217, 77– 97.Georg Gescheidt, Daniela Hristova, Dmytro NeshchadinTechnische Universität GrazInstitut für Physikalische und Theoretische ChemieAbbildung 3:CIDNP-Spektrum eines Bisacylphosphinoxid-Photoinitiators.158Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L15: EPR: Photoinitiatoren für die Härtung von LackenAbbildung 4: Dreidimensionales TR-EPR-Spektrum nach Belichtung eines Bisacylphosphinoxid-Photoinitiators.Methoden:M12 | M22Lösungen: —Institute:I13Kontakte:K8CIDNP | EPR | ESR | Lackhärtung | Paramagnetische Spezies | Photoinitiatoren | RadikaleIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005159

LösungenL16: Fehleranalyse von Piezokeramiken mittels XPSL16: Fehleranalyse von Piezokeramikenmittels XPSProbe: Stapel aus piezo-keramischem Material– Blöcke von (40% PbTiO 3 + 60% PbZrO 3 ) durchsetztmit Metallelektroden (80% Ag + 20% Pd).Problemstellung: Nach Gebrauch (bei demhohe elektrische Felder angewendet werden) trittein Versagen des piezo-keramischen Stapels auf.Senkrecht zu den Elektroden sind einige farbigeBereiche auf den keramischen Blöcken sichtbar,die auf Veränderungen in der chemischen Zusammensetzungder Keramiken hindeuten.Analyse-Ergebnisse: Abb. 1 zeigt Röntgen-Photoelektronen(XPS)-Übersichtsspektren einerdefekten Probe (Abb. 1a) und einer intakten Referenzprobe(Abb. 1b); letztere wurde keinen hohenSpannungen ausgesetzt. Mg-K α -Röntgenstrahlungwurde für die Anregung der Photoemissionsspektrenverwendet.Beide XPS-Spektren zeigen charakteristischeRumpfniveau-Peaks, die den der Keramik zugrundeliegendenElementen Pb, Zr, Ti und O zugeordnet(a)(a)(b)(b)Abbildung 1:XPS-Übersichtsspektren einer defekten(a) und einer intakten piezo-keramischenProbe (b).Abbildung 2:Pb-4f-Rumpfniveauspektren einer defekten(a) und einer intakten piezo-keramischenProbe (b). Die metallischenund oxidischen Komponenten sindangegeben.160Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L16: Fehleranalyse von Piezokeramiken mittels XPSwerden können. Darüber hinaus wird C an beidenProben als Oberflächenverunreinigung detektiert.Die defekte Probe enthält etwa 3 Atomprozent (at%)Zinn (Sn), das auf der Referenzprobe definitiv nichtvorhanden ist. Eine ausführliche Atomkonzentrationsanalyseanhand der Spektren zeigt, dass die defekteProbe im Vergleich zur Referenzprobe Ti- undZr-defizient ist (defekte Probe: 3,4 at% Ti, 6,1 at%dungsenergien verschoben ist. Diese chemischverschobene XPS-Komponente stammt von Pb-Atomen in metallischer Form. Dieses Resultatdeutet darauf hin, dass in der defekten Probe eineReduktion der Pb-Oxidphase unter den betreffendenGebrauchsbedingungen stattgefunden hat,die wahrscheinlich für das Versagen des piezokeramischenStapels verantwortlich ist.Zr; Referenzprobe: 6,7 at% Ti, 9,1 at% Zr).Svetlozar Surnev, Michael Ramsey, Falko NetzerDetaillierte Messungen der Pb-4f-Rumpfniveauspektrenermöglichen den Nachweis weiterer Unterschiedein der chemischen ZusammensetzungKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Oberflächen- und Grenzflächenphysikder defekten Probe und der intakten Referenzprobe(Abb. 2). Die Pb-4f 7/2 - und Pb-4f 5/2 -Dubletts derReferenzprobe haben die für oxidiertes Blei typischenMethoden:M32Bindungsenergien. Die Pb-4f-Linienform Lösungen: —der defekten Probe ist etwas breiter, was auf dieGegenwart einer neuen spektralen KomponenteInstitute:I11schließen lässt, die um ~1,4 eV zu niedrigeren Bin-Kontakte:K32Photoelektronenspektroskopie | Piezokeramik | Rumpfniveauspektrum | XPSIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005161

LösungenL17: FIB in der Mikro- und NanomechanikL17: Fokussierte Ionenstrahl-Technik (FIB) in der MikroundNanomechanikDie fortschreitende Miniaturisierung von Bauteilensowie die Entwicklung von neuartigen Werkstoffen(z.B. Nano-Verbundwerkstoffen) erforderneine Kenntnis der mechanischen Eigenschaftenin kleinsten Dimensionen. Dazu zählen Zug- undDruckfestigkeit, Bruchzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit.Die grundsätzlichen Problematiken derMikro- und Nanomechanik sind die möglichst schädigungsfreieProbenherstellung und die zuverlässigeDurchführung der mechanischen Tests.Abbildung 1:Beispiele von mittels FIB präparierten Mikrobiegebalken und der entsprechenden Abhängigkeit der Fließspannungvon der Balkendicke.162Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L17: FIB in der Mikro- und NanomechanikUm die plastischen Eigenschaften von Kupfer inAbhängigkeit vom verformten Volumen zu bestimmen,wurden Mikrobiegebalken unterschiedlicherGrößen mit Hilfe eines fokussierten Ga + -Ionenstrahls(auf einer FIB Workstation Zeiss XB 1540)aus einem Cu-Einkristall herausgeschnitten. Derauf andere Probengeometrien, z.B. Mikro- undNanodruckproben, oder andere Testmethoden,z.B. Bruchmechanik- oder Ermüdungsversuche,angewandt. Die gewonnenen Erkenntnisse sind,wie bereits eingangs erwähnt, überall dort wichtig,wo Verformungen in kleinsten Volumina auftreten.Balkendickenbereich erstreckte sich von 1 bis7,5 μm bei Biegelängen von 15 bis 25 μm. Einflüssedurch die Ionenstrahl-Präparation (Strahlenschädigung)Literaturauf die mechanischen Eigenschaften wurdenmittels Nanoindentierung bei unterschiedlichen Eindrücktiefenuntersucht. Es zeigte sich, dass diese[1] C. Motz, T. Schöberl, R. Pippan (2005)Acta Mater., in Druck.Präparationstechnik eine gestörte Oberflächenschichtmit einer Dicke von 10 bis 30 nm erzeugt,welche höhere Härtewerte aufweist. Bei sehr kleinenProbengeometrien (< 100 nm) ist dieser Einflusszu berücksichtigen.Christian Motz, Daniel Kiener, Thomas Schöberl,Reinhard Pippan, Gerhard DehmMontanuniversität LeobenDepartment Materialphysikund Österreichische Akademie der WissenschaftenDas freie Ende des Biegebalkens (s. Abb. 1) wurdeErich-Schmid-Institut für Materialwissenschaftmit Hilfe eines Nanoindenters belastet und dieKraft-Verschiebungs-Kurve aufgezeichnet. Mit Hilfeder gängigen Biegebalkentheorie können darausMethoden:M13 | M20E-Modul und Fließspannung berechnet werden. Lösungen: —Es zeigt sich eine ausgeprägte Abhängigkeit derFließspannung von der Balkendicke, wobei beiInstitute:I3geringen Dicken die Fließspannungserhöhung signifikantKontakte:K31ausfällt (Abb. 1). Diese Methodik wird auchFIB | Focused Ion Beam | Nanomechanik | Rasterionenmikroskopie | SIMSIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005163

LösungenL18: Haftfestigkeitsprüfung von dünnen SchichtenL18: Haftfestigkeitsprüfungvon dünnen Schichten mittelsScratch-TestDer Haftfestigkeit von Schichten am Grundwerkstoffkommt in der industriellen Beschichtungstechniksehr große Bedeutung zu, da eine Ablösungder Beschichtung zum vollständigen Verlust derOberflächenfunktionalität führt. Die Angabe derHaftfestigkeit erfolgt i.A. bei dicken Beschichtungenals Haft-Zugfestigkeit oder Haft-Scherfestigkeitund somit als Belastungsgröße für die Zerstörungdes Verbundes Beschichtung-Grundwerkstoff z.B.im Zugversuch. Diese Testmethode kann jedoch beiBeschichtungen mit Dicken von weniger als 100 µmnicht mehr angewendet werden. Daher wird imBereich der Dünnschichttechnik und Nanoanalytikversucht, durch massive plastische Verformung derbeschichteten Oberfläche zur Darstellung der Haftfestigkeitzu kommen. Im Ritztest („scratch test“)wird dabei ein Diamantkegel nach Rockwell-C-Geometriein die beschichtete Oberfläche eingedrücktund gleichzeitig translatorisch parallel zur Oberflächebewegt. Der entstehende Ritz („scratch“)und die auftretenden Verformungsmerkmale desVerbundes werden ausgewertet und dienen zurErmittlung einer kritischen Last, bei welcher es zurSchädigung der Beschichtung kommt.Abbildung 1:Ergebnisse von Scratch-Tests auf PLD-Multilagen-Beschichtungen aus Ti-TiN.(a) Abhängigkeit der kritischen Last vonder Dicke der Ti- bzw. TiN-Einzelschichten(Gesamtschichtdicke 1 µm). (b)Versagenstypen bei der kritischen Last:(1) „Buckling“ einer Beschichtung mit32 nm Einzelschichtdicke. (2) Aufreißeneiner Schicht mit 250 nm Einzelschichtdicke.In der Versuchsführung stehen gemäß EN 1071verschiedene Belastungskonzepte zur Verfügung:(1) linear zunehmende Belastung während der translatorischenBewegung, (2) konstante, schrittweisezunehmende Belastung und (3) konstante Belastungbei mehrmaligen Ritzen im gleichen Scratch.Diese Belastungskonzepte erlauben Aussagen überden größten Einfluss auf das Versagen der Beschichtung(1), eine statische Versagensanalyse (2)und die modellhafte Analyse von im Anwendungsfallauftretenden Ermüdungsbeanspruchungen (3).Die Versagenstypen im Scratch-Test werden entscheidendvon den (mechanischen) Eigenschaftenvon Beschichtung und Grundwerkstoff bestimmt.Ist die Beschichtung z.B. im Vergleich zum Grundwerkstoffsehr weich, treten große plastische Verformungender Beschichtung auf, und die kritische164Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L18: Haftfestigkeitsprüfung von dünnen SchichtenLast wird durch jenen Belastungswert definiert, bei Diese Haftfestigkeitsprüfungen zeigen hohewelchem der Grundwerkstoff erstmals freigelegt Haftung von Multilagenbeschichtungen mit sehrwird. Im gegenteiligen Fall einer harten Schicht auf geringen Einzelschichtdicken von Titan bzw. Titannitridbzw. von Beschichtungen mit dicker „weicher“weichem Grundkörper muss mit Absplittern undeinem „Buckling“ (teilweise Schichtablösung an der Titan-Zwischenschicht (EinzellagenschichtdickeGrenzfläche) der Beschichtung bei der kritischen 500 nm). Erstere Beschichtungen zeigen in Härtemessungenein hohes Härteniveau im VergleichLast gerechnet werden.zum Grundwerkstoff, wodurch sich als Versagenstyp„Buckling“ am Rand des Ritzes (und wegenEin Beispiel für unterschiedliche Versagensfälleim Scratch-Test zeigen Untersuchungen an Multilagen-Beschichtungenaus abwechselnd Titan- und des Ritzes) einstellen (Abb. 1b1). Ist hingegen dieder hohen Bruchzähigkeit duktile Risse im GrundTitannitrid-Einzelschichten. Kombinationen von Schichthärte deutlich niedriger (Abb. 1b2), treten dieweichen metallischen und harten keramischen plastischen Verformungsphänomene wie das Aufreißender Beschichtung im Ritzgrund und das Frei-Materialien führen in Beschichtungen zu höhererBruchzähigkeit und optimiertem Einsatzverhalten legen des Substrates vermehrt in Erscheinung.(z.B. Verschleißminimierung). Derartige Multilagen-Schichtenwurden mittels der Pulsed-Laser- Der am Laserzentrum Leoben installierteDeposition-Technik (PLD) bei Raumtemperatur Scratch-Test entspricht den Vorgaben der EN 1071auf weiche ferritische Stähle abgeschieden und und ist für Haftfestigkeitsuntersuchungen von Beschichtungenauf weichen bis mittelharten Grund-anschließend im Scratch-Test geprüft und auf dieauftretenden Versagensphänomene und kritische werkstoffen (Kunststoffe, Metalle) konzipiert.Lasten ausgewertet (s. Abb. 1).Jürgen M. Lackner, Wolfgang WaldhauserJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHLaserzentrum LeobenMethoden:M43Lösungen: —Institute:I14Kontakte:K24Dünnschichten | Haftfestigkeit von Beschichtungen | Scratch-Test | TribologieIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005165

LösungenL19: Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (HT-XRD)L19: Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie(HT-XRD)– Strukturelle Untersuchungenim NanobereichDie Röntgendiffraktometrie (XRD) ermöglicht diezerstörungsfreie Untersuchung von polykristallinenMaterialien durch die Beugung von Röntgenstrahlung.Die Methode etablierte sich erfolgreich fürroutinemäßige Qualitätssicherungsaufgaben speziellim Bereich der Baustoff-, metallerzeugendenund pharmazeutischen Industrie.Die prinzipielle Funktionsweise der Methodebasiert auf der Detektion von konstruktiven Beugungsereignissenals Funktion des Einstrahlwinkels,bei entsprechender Wellenlänge [Bragg, 1913]. Dieswird durch die Interaktion von Röntgenstrahlungmit der Elektronenhülle der Probenatome erreichtund ermöglicht qualitative wie auch quantitativeAussagen über die Phasenzusammensetzungsowie die strukturellen und mikrostrukturellenEigenschaften.Zeit- und temperaturaufgelöste Spezialapplikationender Röntgendiffraktometrie (HT-XRD)gestatten zusätzlich die In-situ Charakterisierungder strukturellen Werkstoffeigenschaften bei verschiedenenTemperaturen und Gasatmosphären(s. Abb. 1). Dabei induziert die Temperaturerhöhungeine Aktivierung von unvollständig abgelaufenenchemischen Prozessen, wie Rekristallisation undPhasenreaktionen, und ermöglicht dadurch eineÜberprüfung der stationären oder zyklischen thermischenBeständigkeit oder der Oxidationsfes-Temperaturinduzierte Veränderung der ProbeThermische AusdehnungÄnderung der Kristallinität, KornwachstumPhasenumwandlungTemperaturwechselbeständigkeitPhasentransformation, -reaktionPhasenneubildungenAnwendungsbeispielMessung der Gitteränderung,Reduktion der GitterfehlordnungRekristallisationsglühen, Abbau undNeuordnung des kristallinen Gitters,Quantifizierung des amorphen AnteilsPhasenquantifizierung,RestaustenitbestimmungEinsatzsimulation thermozyklischerBelastungen bis 1400°Cα-γ-Phasenumwandlung im FeOxidation von DünnschichtenTabelle 1166Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L19: Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (HT-XRD)Abbildung 1:tigkeit.Lin(Cps)Abbildung 2:„Bruker-AXS D8 Advance“-Diffraktometer mit Hochtemperaturkammer (links) und schematische Darstellungdes Strahlenganges dieser Anordnung (rechts).Beispiele konkreter Anwendungen der HT-Röntgendiffraktometrieund Problemlösungen, die imDiffraktogramme einer Zr-Probe imTemperaturbereich 450 – 600°C. Dieallochemische Phasenreaktion mitSauerstoff Zr + O 2 → ZrO 2 (Baddeleyit)findet bei 510 °C statt. Insert A: Zirkonblechvor (rechts) und nach (links) demAufheizen in Sauerstoffatmosphäre.industriellen Umfeld oft gebraucht werden, sind inTab. 1 angeführt.Abb. 2 zeigt als Beispiel für eine Phasenreaktiondie Oxidation von Zirkonium. Mittels Hochtemperatur-Diffraktometriekann die Umwandlungstemperatureindeutig bestimmt werden.In Abb. 3 ist die Kristallitgröße in CrN-Schichtenin Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Beiniedrigen Temperaturen ist die Keimbildungsgeschwindigkeitbestimmend, während mit steigenderTemperatur die Kristallwachstumsgeschwindigkeitan Bedeutung gewinnt. Da dieses Verhalten durchdie Einlagerung von Sauerstoff beeinflusst wird,konnte mit diesem Experiment der Einfluss vonOxinitridphasen auf das mechanische Verhalten vonCrN-Dünnschichten nachgewiesen werden.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenMariann Lovonyak, Reinhold EbnerMaterials Center Leoben Forschung GmbH,Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005167

L19: Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (HT-XRD)Kristallitgröße [nm]Methoden:M15Lösungen: —Abbildung 3:Kristallitgrößen in vier unterschiedlichenCrN-Schichten zwischen 25 und850°C. Das Kristallisationsverhaltenändert sich mit der Temperatur.Institute:Kontakte:I15 | I3K29Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie | HT-XRD | Phasenumwandlungen | RekristallisationStrukturbestimmung168Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL20: Identifizierung organischerVerbindungen mittelsSchwingungsspektroskopie(FTIR und Raman)Abbildung 1:L20: Identifizierung organischer VerbindungenSchwingungsspektroskopische Methoden (FTIRund Raman) eignen sich besonders zur Identifizierungvon organischen Verbindungen (Kunststoffe,Naturstoffe u.a.). Spezielle Techniken (Mapping,Global Imaging, Array-Detektoren) gestatten auchVerteilungsstudien (z.B. Schichtaufbau, Blends,Füllstoffe).Peter WilhelmTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazCharakterisierung eines dünnenPolymerfilmes mittels GIR („GrazingIncidence Reflection“: Messung mitstreifendem Einfall zur Erfassung sehrdünner Schichten). Links oben: GIR-Objektiv. Links unten: Dickenverteilungeines keilförmigen Polymerfilmes (ca.20 – 60 nm). Rechts: GIR-Spektrum desFilmes.Abbildung 2:Abbildung 3:Methoden:Analyse eines Polymer-Blends (PTFEund Polyamid, je ca. 50 %) mittels FTIR-ATR-Imaging (4096 Spektren simultanmit einem Array-Detektor aufgenommen);von links nach rechts: Verteilungdes PTFE, Verteilung des Polyamids(helle Farbe = hohe Konzentration),ESEM-Bild desselben Probenbereiches.Darstellung der in Abb. 2 genanntenProbe mittels Raman-Imaging (aufgenommenmit einem Filter, welches nurdie PTFE-Linie durchlässt, sog. „GlobalImaging“). Links: ESEM-Bild der Probenoberfläche.Rechts: Raman-Imagedesselben Bereichs (732 cm- 1 -PTFE-Verteilung, Intensität der Raman-Linieauf z-Achse aufgetragen).M39Lösungen: —Institute:Kontakte:I4K49Index Kontakte Institute Lösungen MethodenFTIR-Mikroskopie | Imaging | Infrarot-Spektroskopie | Polymere | Raman-Mikroskopiespektrale BildgebungHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005169

LösungenL21: HT-XRD – Spannungen und DeformationenL21: Hochtemperatur-Röntgendiffraktion– Spannungenund Deformationen in dünnenAluminium-Schichten aufSiliziumProblemstellungThermisch induzierte Deformationen und mechanischeSpannungen in dünnen Metallschichtenbei mikro- und optoelektronischen Bauteilen geltenals eine der Hauptursachen für Funktionsstörungen.Mit Hilfe der Hochtemperatur-Röntgenbeugungkönnen die Spannungs-Deformations-Verhältnissein solchen Schichten in Abhängigkeit von derTemperatur untersucht werden.MessanordnungDie Messungen erfolgen mit einem 4-Kreis-Röntgendiffraktometer mit einer DHS900 Hochtemperatur-Probenkammerder Anton Paar GmbH. Beidieser Messmethode ist es notwendig, die Einfallsrichtungdes Röntgenstrahls auf die Probe und dieDetektionsrichtung der gebeugten Strahlung in alleRichtungen variieren zu können (Abb. 1). Strahl- undDetektionsrichtung werden dabei durch 3 Winkel(Φ, Ψ, Θ) beschrieben.Um in alle Richtungen für Röntgenstrahlentransparent zu sein, verfügt die DHS900 über einespezielle, extrem dünne Kunststoffkuppel, unter derdie Probe auf einer Heizplatte montiert ist (Abb. 2).Die Kuppel ermöglicht es, die Probe in Vakuum,Luft oder einem chemisch inaktiven Schutzgas zuuntersuchen.Abbildung 1:Strahlgeometrie für die Dünnschichtanalysemittels Röntgendiffraktion.Abbildung 2:DHS900 Hochtemperaturkammer.170Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L21: HT-XRD – Spannungen und DeformationenAbbildung 3:AnalyseVeränderung der Reflexlage desAl(331)-Reflexes von Probe 2 mit derTemperatur.Bei der vorliegenden Untersuchung wurdensehr dünne Aluminiumschichten mittels Magnetron-Sputter-Abscheidungauf Silizium(100)-Substratenerzeugt. Dabei wurden 4 Schichten bei unterschiedlichenSubstrat-Temperaturen abgeschieden(T D = 60, 150, 250, 300°C), um den Einfluss derHerstellungsbedingungen auf die thermisch induziertenSpannungen zu untersuchen.Die Filme wurden Temperaturzyklen von 23°Cbis 450°C ausgesetzt, wobei zur Spannungsbestimmungalle 50°C ausgewählte Röntgenreflexeder Aluminiumschicht gemessen gemessen wurden.Aus dem Diffraktionswinkel 2Θ der Reflexe(entspricht Intensitätsmaxima der Messprofile inAbb. 3) relativ zur Richtung des einfallenden Strahlskönnen die Netzebenenabstände d(hkl) und weitersdie Gitterkonstante a der (kristallinen) Al-Schichterrechnet werden.Abbildung 4:Gitterparameter a als Funktionvon sin 2 ψ.Die Veränderung der Gitterkonstanten a mitdem Verkippungswinkel ψ des Strahls relativ zurProbenoberfläche gibt qualitativen Aufschlussüber Deformationen in der Al-Schicht. Ein linearerZusammenhang zwischen der Gitterkonstantena und sin 2 ψ weist auf eine isotrope Kristallstrukturder Al-Schicht (ohne Vorzugsorientierung) hin(s. Abb. 4). Aus der Steigung der Geraden (steigendoder fallend) erkennt man das Vorherrschen einerZug- oder Druckspannung, und über die Steigungkann der Spannungszustand auch quantifiziertwerden [1].Aus den Netzebenenabständen d(hkl) werdenanschließend die Spannungen im Al-Film als Funktionder Temperatur berechnet. Abb. 5 zeigt dieAbhängigkeit der mechanischen Spannung vonder Temperatur für die 4 unterschiedlichen Metallfilme.Wie aus Abb. 5 ersichtlich ergeben sichbeim Aufheizen und Abkühlen unterschiedlicheSpannungsverläufe. Man erkennt deutlich denUnterschied zwischen den beiden Filmen, die beiniedriger Substrat-Temperatur T D erzeugt wurdenund jenen Filmen mit höherer Abscheidungstem-Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005171

L21: HT-XRD – Spannungen und Deformationenperatur. Bei ersteren kehrt die Spannung im Filmnach dem Abkühlen nicht mehr zum Ausgangswertzurück (irreversible Spannungsveränderungen), beiletzteren schon.Weitere Messungen zeigen, dass auch dieSchichten mit ursprünglich irreversiblem Verhaltendurch thermische Behandlung so verändert werdenkönnen, dass die temperaturabhängigen Spannungsänderungenin der Schicht reversibel gemachtwerden können (Rekristallisationseffekte).ZusammenfassungMit Hilfe von Hochtemperatur-Röntgenbeugungkann gemessen werden, welche temperaturbedingtenSpannungen in dünnen Metallschichten auf unterschiedlichstenSubstraten auftreten und wie dieHerstellungsbedingungen, die Materialwahl sowiemögliche Temperaturbehandlungen der Schichtendas Spannungsverhalten beeinflussen.Literatur[1] H. J. Bunge (1982) „Texture Analysis inMaterial Science“. Butterworths, London.593 Seiten.Christian ReschAnton Paar GmbHAbbildung 5:Spannung (σ I ) entlang der Al-Schichtenbeim Aufheizen und Abkühlen. T D …Abscheidungstemperatur bei der Film-Herstellung.Ernst Eiper, Jozef KeckesÖsterreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftRoland ReselTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikMethoden:M15 | M42Lösungen: —Institute:Kontakte:I1K19Dünnschichten | Hochtemperatur | Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie | HT-XRDKristallstruktur | Metallfilm | Röntgenbeugung/diffraktion | Spannungen, mechanischethermische Gitterdeformation172Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL22: Li-Ionen-Batterien und alkalische BrennstoffzellenL22: Li-Ionen-Batterien undalkalische Brennstoffzellen– Untersuchungen im RasterelektronenmikroskopLithium-Ionen-ZellenLithium-Ionen-Zellen bieten wesentliche Vorteile(hohe Sicherheit, hohe Energiedichte, gute Zyklisierbarkeitund keinen Memory-Effekt) gegenüberden gängigen Blei- oder Ni /Cd-Akkumulatorenund finden somit immer breitere Anwendung inverschiedensten Bereichen. Von entscheidenderBedeutung für eine Hochleistungs-Li-Ionen-Zelle istdie Struktur und Modifikation des lamellaren Kohlenstoffs(Abb. 1), der als Wirtsmaterial dient undeine Lithium /Kohlenstoff-Einlagerungsverbindung(LiC n ) bildet. Die Forschung im Bereich der Li-Ionen-Zellen konzentriert sich derzeit auf die Auswahl vongeeigneten modifizierten Kohlenstoffmaterialien, umdie Kapazität und Zyklisierbarkeit der Li-Ionen-Zellezu erhöhen.Modifikationen werden durch Einlagerung(Substitution) von Fremdelementen wie z.B. Bor,Stickstoff oder Phosphor erreicht. Entscheidendfür den Erfolg dieser Modifikationen ist die gezieltemorphologische und analytische Charakterisierungder Proben im Mikro- und Nanometer-Bereich,um daraus Erkenntnisse für die weiterführendeForschung und Entwicklung in diesem Gebiet zuerlangen. Abb. 2 zeigt einen derartigen modifiziertenGraphit, der mittels hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie(HREM) untersucht und charakterisiertwurde.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Hochaufgelöstes REM(HREM)-Bildeiner herkömmlichen Graphitprobe. Abbildung 2: HREM-Bild einer modifiziertenGraphitprobe.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005173

L22: Li-Ionen-Batterien und alkalische BrennstoffzellenKohlenstoff-Nanofaser-basierteSchichten in BrennstoffzellenAufgrund der Entwicklungen im Bereich der fossilenBrennstoffe versucht die Forschung Schwerpunktein der Diversifikation der primären Energieressourcenzu setzen. Einen Schwerpunkt bildetdie Weiterentwicklung von Brennstoffzellen. AlkalischeBrennstoffzellen mit Kathoden bestehendaus Silber- oder Platin-beschichteten Kohlenstoff-Nanofasern (carbon nanofibres, CNFs) bekommenzunehmend Bedeutung als Alternativen zu denbekannten Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen,da z.B. Silber ausgezeichnete Katalysatoreigenschaftenbei der Sauerstoff-Reduktion aufweist.Der Einsatz von CNFs in der Brennstoffzellen-Technologiewird vorwiegend durch die einzigartigenstrukturellen und elektrischen Eigenschaften derCNFs bestimmt.Im vorliegenden Fall wurden CNFs mit einemmittleren Durchmesser von 150 nm (s. Abb. 3)als Pt-Katalysator-Trägermaterial für Kathoden inalkalischen Brennstoffzellen verwendet und diemetallbeschichteten CNFs im Rasterelektronenmikroskop(REM) untersucht. Die Ergebnisse imREM zeigen, dass im Falle der Pt-Abscheidung dieabgeschiedenen Metallpartikel (geschätzter Durchmesser~10 nm) über große Bereiche ungleichmäßigverteilt sind und auch dazu tendieren, sichzu Agglomeraten zusammenzulagern (s. Abb. 4).Daher führt die Abscheidung einer größeren Mengevon Pt nicht notwendigerweise zu einer größerenKatalysatoroberfläche und – wie experimentellentsprechend nachgewiesen – auch nicht zu einerverbesserten Performance der entsprechendenKathoden (s. [1]).Abbildung 3:REM-Bild von Kohlenstoff-Nanofasern(CNFs): Rohmaterial mit unterschiedlichenDurchmessern (Mittelwert150 nm).Abbildung 4: REM-Bild von CNFs mit 30Gewichts % Pt; die Partikel haben einenDurchmesser von ca. 10 nm und neigenzur Agglomeration.174Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L22: Li-Ionen-Batterien und alkalische BrennstoffzellenLiteratur[1] V. Hacker, E. Wallnöfer, W. Baumgartner,T. Schaffer, J. O. Besenhard, H. Schröttner,M. Schmied (2005) „Carbon nanofiber-basedactive layers for fuel cell cathodes – preparationand characterization“. ElectrochemistryCommunications 7(4), 377– 82.weiterführend[2] J. O. Besenhard (Ed.) (1999) „Handbook ofBattery Materials“. Wiley-VCH, Weinheim. 648Seiten.Methoden:M27Mario Schmied, Werner Rom Lösungen: —Technische Universität GrazInstitute:I4Forschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschung Kontakte:K44und Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazBrennstoffzellen | CNFs | HREM | Lithium-Ionen-Zellen | modifizierter GraphitRasterelektronenmikroskopie | REMIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005175

LösungenL23: Magnetische Eigenschaften nanokristalliner WerkstoffeL23: Magnetische EigenschaftennanokristallinerWerkstoffe hergestelltdurch Hochverformung– Untersuchungen mittelsSQUID-MagnetometrieMetallische Werkstoffe mit Korngrößen unter1 µm sind von hohem technologischem und wissenschaftlichemInteresse, da mit diesen besonderemechanische (und magnetische) Eigenschaftenverbunden sind. Die Korngröße der Nanokristallitekann nicht nur durch Rascherstarrung oder Pulverisierungund daran anschließendes kompaktierendesSintern, sondern auch durch hohe plastischeVerformung (>1000%) bei geringen Temperaturen(

L23: Magnetische Eigenschaften nanokristalliner WerkstoffeDiese Arbeit wurde in Kooperation mit demChristian Doppler Labor für Lokale Analyse vonVerformung und Bruch (Univ.-Prof. Dr. ReinhartPippan, Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft,Österreichische Akademie der Wissenschaften,Leoben) und der Fa. Böhler EdelstahlGmbH &Co KG (Abteilung Research &Development,Kapfenberg) durchgeführt.Methoden:M16 | M18Lösungen: —Heinz KrennInstitute:I11Karl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Magnetometrie und PhotonikKontakte:K33Hochverformung | Hysterese | Koerzitivkraft | magnetische Eigenschaften | MagnetometrieNanokristallite | Plastizität | SQUID-MagnetometrieIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005177

LösungenL24: Mechanismus der WirkstofffreisetzungL24: Mechanismus der Wirkstofffreisetzungaus einemnanopartikulären Drug-Carrier– Untersuchungen mittelsSAXS und WAXSNanopartikel sind von zunehmendem Interesseals Träger von pharmazeutischen Wirkstoffen. Vonbesonderer Bedeutung für deren Anwendbarkeit istdabei der Mechanismus der Freisetzung des Wirkstoffsund der zeitliche Ablauf dieses Prozesses.Im vorliegenden Fall wurden Nanopartikel untersucht,bei denen eine polymere Hülle den kristallinenWirkstoff einschließt (s. Abb. 1), und zwarals Aufschlämmungen in einem Puffer.Durch zeitaufgelöste Röntgenkleinwinkelstreuung(SAXS) und –weitwinkelstreuung (WAXS) – dieMessungen erfolgten im Abstand von fünf Minuten– wurde gezeigt (s. Abb. 2), dass die kristallineStruktur des Wirkstoffes über die Messzeit intaktbleibt (das Weitwinkelsignal bleibt unverändert),während sich im SAXS-Bereich Veränderungenzeigen, die als Porenöffnung innerhalb der ersten30 Minuten interpretiert werden können. Daranschließt eine Phase der langsamen, kontrolliertenWirkstoffauflösung an.Abbildung 1:Schematische Darstellung der wirkstofftragendenMikrosphären.Marek Zarkrzewski, Peter LaggnerHECUS XRS GmbH178Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L24: Mechanismus der WirkstofffreisetzungAbbildung 2:SAXS- und WAXS-Kurven der Carrier-Mikrosphären – 5 Minuten Zeitabstandzwischen den Kurven.Methoden:M35 | M36 | M14Lösungen: —Institute:Kontakte:Nanopartikel | Porenöffnung | Röntgenkleinwinkelstreuung | RöntgenweitwinkelstreuungSAXS | WAXS | WirkstofffreisetzungI5K25 | K26Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005179

LösungenL25: Metallische Schichten auf GlaskeramikenL25: Metallische Schichtenauf Glaskeramiken – Untersuchungenmittels AESKeramische Halbleiterbauelemente werden oftmit Metallschichten überzogen, auf denen danndünne Golddrähte „gebonded“ werden. Die Haftungdieser Drähte hängt entscheidend von derOberflächenqualität dieser Schicht ab. In Abb. 1ist das Auger-Elektronenspektrum einer Glaskeramikoberfläche,die mit einer Sandwichschichtaus Palladium und Gold bedeckt war, zu sehen.Das Spektrum zeigt deutlich, dass nach demEinbau in die Vakuumapparatur Kohlenstoff undSauerstoffverunreinigungen vorlagen. Außerdemkann man auch erkennen, dass Silber währenddes Beschichtungsprozesses auf die Oberflächegelangt ist. Durch Vergleich der AES-Spektren vonSchichten, die gute bzw. schlechte Hafteigenschaftenaufweisen, kann die Prozessführung optimiertwerden.Ein Tiefenprofil der Palladium-Gold-Sandwichschicht(Abb. 2) zeigt, dass die Übergangszonenicht sehr scharf ist. Sehr schön kann man erkennen,dass der Palladiumschicht geringe MengenPhosphor beigemengt sind. Die Auger-Spektroskopieeignet sich besonders zum Nachweis leichterElemente (C, S, P, O), die mit Hilfe der Röntgenfluoreszenznur schwer nachweisbar sind.Adolf WinklerTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikAbbildung 2:Tiefenprofil der Palladium-Gold-Sandwichschicht(s. Abb. 1).Abbildung 1:Augerelektronenspektrum einerGlaskeramikoberfläche, die mit einerSandwichschicht aus Palladium undGold bedeckt ist.180Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L25: Metallische Schichten auf GlaskeramikenMethoden:M3Lösungen: —Institute:I8Kontakte:K50AES | Auger-Elektronenspektroskopie | DPA | TiefenprofilIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005181

LösungenL26: Morphologie-Analyse von Halbleiter-NanostrukturenL26: Morphologie-Analyseselbstorganisierter Halbleiter-Nanostrukturen mittels AFMBeim Wachstum von Halbleiterschichten aufeinkristallinen Substraten können aufgrund unterschiedlicherGitterkonstanten dreidimensionalefacettierte Kristallite entstehen, die oft eine quasiperiodischeOrdnung zeigen. Mittels Rasterkraftmikroskopielassen sich sowohl Form und Größeder einzelnen Nanostrukturen mit hoher Präzisionermitteln als auch der Grad der Selbstorganisationbestimmen.In Abb. 1 sind rasterkraftmikroskopische Aufnahmenvon zwei selbstorganisierten Anordnungenfacettierter SiGe-Kristallite auf einem Silizium-Substratgezeigt. In beiden Fällen besitzen die pyramidenartigenStrukturen {105}-Facetten, die gegenüberder nominalen Oberfläche um 11° geneigtsind. Im ersten Fall (Abb. 1a, b) handelt sich umeine dichtgepackte Anordnung dieser vierseitigenPyramiden, die durch den Abbau von Verspannungenbeim Wachstum von SiGe /Si-Multischichtenentsteht. In dem dazugehörigen Powerspektrum(Quadrat der Fouriertransformation der gemessenenTopographie z (x,y), siehe Einsatz Abb. 1a) sindvier Peaks zu erkennen, aus deren Lage im reziprokenRaum die mittlere Größe der quadratischenPyramidenbasis zu 80 nm x 80 nm bestimmbarist. Im zweiten Fall (Abb. 1c, d) führt das Wechselspielvon Versetzungs- und Kristallitbildung zueiner schachbrettförmigen Anordnung vierzähligerPyramiden, die durch ebenfalls {105}-facettierteGruben getrennt sind.Abbildung 1:Rasterkraftmikroskopie-Aufnahmen vonselbstorganisierten SiGe-Oberflächenmit zugehörigen Powerspektren undhochauflösenden Aufnahmen in dreidimensionalerDarstellung (siehe Text).Abbildung 2:(a) AFM-Aufnahme eines 200 nmdicken Paraquaterphenyl-Films aufAu(111) mit unterschiedlich orientiertenKristallitanordnungen. (b) SkelettartigeAnordnung von einkristallinen Nadelnin Parahexaphenylschicht auf einerTiO 2 (110)-Oberfläche. In Zusammenarbeitmit dem Institut für Festkörperphysik,TU Graz (a) und dem Institut fürPhysik, KFU Graz (b).182Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L26: Morphologie-Analyse von Halbleiter-NanostrukturenAuch beim Wachstum von organischen Halbleiterschichtenauf kristallinen Substraten könnenquasiperiodische Kristallitanordnungen beobachtetwerden, die wesentlich durch die Substratgeometriebeeinflusst sind. Dieses ist in Abb. 2 für das Wachstumvon Oligophenylschichten demonstriert, dieein Modellsystem für funktionalisierte Schichten inorganischen Halbleiterbauelementen darstellen.Beschießt man Festkörperoberflächen mit niederenergetischenIonen (E ≈ 200 eV bis 3 keV),werden Oberflächenatome der beschossenenProbe abgetragen. Dank der Rastersondenmikroskopiewurde nun festgestellt, dass die Materialabtragungdurch Ionenerosion, die ja im Prinzipeine zerstörende Methode ist, auch zur Ausbildungquasiperiodischer Nanostrukturanordnungen führenkann. Bei senkrechtem Ioneneinfall können sichhexagonal geordnete dreidimensionale Strukturenbilden, wie es in Abb. 3 für den Beschuss vonGalliumantimonit mit Ar-Ionen demonstriert ist. Eswerden Nanostrukturen mit kreisförmiger Basis undeinem mittleren Radius von nur 20 nm beobachtet,die Domänen mit hexagonaler Nahordnung bilden.Die hohe Einheitlichkeit in der Strukturgröße wird imAuftreten von drei „Beugungsordungen“ im Powerspektrumdeutlich. (Da die Domänen alle möglichenOrientierungen annehmen, werden anstatt hexagonalangeordneter Peaks Ringe beobachtet.) MittelsKohlenstoff-Nanoröhrchen als AFM-Sonde konntedie dreidimensionale Gestalt der Nanostrukturen alsnahezu halbkugelförmig bestimmt werden (sieheAbb. 3b). Damit unterscheiden sie sich deutlich vonden facettierten Wachstumsstrukturen.Abbildung 3:Methoden:(a) 2 µm x 2 µm AFM-Aufnahme einermit 500 eV Ar + -Ionen beschossenenGaSb (001)-Oberfläche mit entsprechenderFouriertransformation. DieSechsecke markieren die unterschiedlicheOrientierung der hexagonaldichtgepackten Domänen. (b) HochauflösendeAFM-Aufnahme in dreidimensionalerDarstellung mit einer diskretenHöhenskala.M28Lösungen: —Institute:Kontakte:AFM | Halbleiter, organische | Halbleiternanostrukturen | Heteroepitaxie | IonenbeschussOberflächenrauigkeit, Powerspektrum der | Rasterkraftmikroskopie | SelbstorganisationChristian TeichertMontanuniversität LeobenInstitut für PhysikI12K46Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005183

LösungenL27: Nanoindentierungsversuche an VerbundwerkstoffenL27: Nanoindentierungsversuchean W/Cu-Mikro- undNano-VerbundwerkstoffenZwei Methoden, sehr hohe Festigkeiten in Werkstoffenzu erzielen, wurden am Erich-Schmid-Institutmiteinander kombiniert, nämlich die Verwendungvon Verbundwerkstoffen (Composites) unddie Kornverfeinerung. Dazu wurde ein Composite,der aus W-Teilchen, eingebettet in eine Cu-Matrix,bestand, in mehreren Stufen einer extrem hohenplastischen Verformung unterzogen. Dadurchwurden die W-Partikel und die Matrixbereiche vonursprünglich einigen Mikrometern auf wenige zehnNanometer verkleinert, was zu enormen Festigkeitssteigerungenführte. Die Strukturverfeinerungwurde durch Rasterelektronenmikroskopie gezeigt(s. Abb. 1).Nach sehr hohen Verformungen wurde eine Sättigungerzielt, insofern, als weitere Verformung keineerkennbare weitere Strukturänderung bewirkte.Dieser Befund ist Gegenstand aktueller Forschungen.Eine Fragestellung dabei ist, ob und wie sichdie lokalen mechanischen Eigenschaften der einzelnenBestandteile W-Teilchen und Cu-Matrix bei derVerformung ändern, und zwar bei Raumtemperaturund bei erhöhten Temperaturen.Abbildung 1:Rasterelektronenmikroskopiebilder von einem unverformten (links) und einem hochverformtenWCu-Verbund (rechts).184Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L27: Nanoindentierungsversuche an VerbundwerkstoffenZu diesem Zweck wurden NanoindentierungsversucheLiteraturdurchgeführt, bei verschiedenen Verfor-mungsgraden bei Raumtemperatur, 200°C und400°C. Die Methode musste wegen der extremen[1] T. Schöberl, I. Sabirov, R. Pippan (2005)Zeitschrift für Metallkunde, im Druck.Kleinheit der Strukturen bis an die Grenzen ihrerMöglichkeiten ausgereizt werden. Dennoch konntegezeigt werden, dass bei niedrigeren Temperaturendie Cu-Matrix mit zunehmender Verformung härterwird, was für die W-Körner nur im geringen Maß gefundenwurde. Erhöhte Temperaturen während derThomas SchöberlMontanuniversität LeobenDepartment Materialphysikund Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftHochverformung behinderten eine Härtesteigerungdes Kupfers, höchstwahrscheinlich durch Rekristallisation.Bemerkenswert ist ferner, dass nach einerMethoden:M20 | M18weiteren Verformung einer im oben genannten Sinn Lösungen: —‘gesättigten‘ Probe eine weitere, signifikante Steigerungder Nanohärte beobachtet wurde, obwohlInstitute:I3mit dem Rasterelektronenmikroskop keine weitere Kontakte:K43Strukturänderung erkennbar war.biologische Proben | Härte | Hochverformung | Nanoindentierung | VerbundwerkstoffIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005185

LösungenL28: Ortsaufgelöste Röntgenuntersuchung vor RissspitzenL28: Ortsaufgelöste RöntgenstreuungsuntersuchungvorRissspitzen in PE-RohrwerkstoffenBei Rohrwerkstoffen ist die durch mechanischeEnergie eingebrachte Schädigung von großem industriellemund volkswirtschaftlichem Interesse.Risse können eine Gefährdung der Bevölkerunghervorrufen (Gasleitungen), zu hohen Schädenan der Bausubstanz führen (Wasserleitungen)und sind in jedem Fall in der Reparatur sehr teuer(Grabungsarbeiten usw.). Um Informationen überSchädigungen und strukturelle Änderungen vor dermakroskopischen Rissspitze in Poly(ethylen)-Rohrwerkstoffenzu erhalten, wird die Methode der ortsaufgelöstenRöntgenkleinwinkelstreuung (ScanningSAXS) verwendet. Diese Methode ermöglicht es,Strukturinformationen mit der exakten Position aufeinem Probenkörper zu kombinieren. Dazu wirdeine Kombination aus einer abbildenden Methode(Radiographie) und der eigentlichen Messung derStreubilder verwendet. Die Abbildung mit Hilfe derRadiographie basiert auf der Messung der Transmissionder Probe, ähnlich einem Röntgenbild.Die Auflösung des Bildes beträgt 100 Pixel /mm 2 .Veränderungen in der Probendicke, hervorgerufenAbbildung 1:Mikroskopische Aufnahme eines Rissesin PE und ein Teil der Radiographie.Diese zeigt den Bereich vor der makroskopischenRissspitze, wobei kräftigereFarben für weniger Material stehen.durch Einschnürungen, Hohlräume oder Ähnlicheskönnen damit lokalisiert werden. Diese Informationwird dann genutzt, um die eigentliche Bestimmungder Struktur des Materials vorzunehmen bzw. dieMesspositionen festzulegen. In Abb. 1 ist dies aneinem Beispiel dargestellt.In polymeren Werkstoffen sind grundsätzlichzwei Deformationsmechanismen vorherrschend,einerseits das sogenannte Scherfließen und andererseitsder Prozess über Hohlraumbildung und dassogenannte Crazing. Crazes sind Hohlräume, dievon dünnen Polymerfasern (Fibrillen) überspanntsind. Mit der Scanning-SAXS-Methode kann mannun feststellen, ob der eine oder der andere Mechanismusvorherrschend ist, und die Größe desplastischen Bereiches bestimmen. Im Beispielder PE-Rohre ist immer der Scher-Mechanismusüber die Hohlraumbildung vorherrschend. DieseHohlräume sind elongiert und orientiert. Die Craze–Fibrillensind ebenfalls stark orientiert und habeneine im Vergleich zum Bulk-Material veränderteNanostruktur. Orientierungen können bestimmtwerden, was unter anderem zu einem besserenVerständnis des Kräfteverlaufs im Bereich einerRissspitze führt. Abb. 2a zeigt die Orientierung derRisse bzw. Fasern, Abb. 2b die Änderungen in derLamellenmorphologie des Polymers.186Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L28: Ortsaufgelöste Röntgenuntersuchung vor RissspitzenDie Lamellenmorphologie „speichert“ Informationenüber plastische Deformation im Material, sokann auf Druck- oder Zugbelastung während derBeanspruchung zurückgeschlossen werden, undes kann die örtliche Verteilung dieser Kräfte imSchädigungsbereich nachvollzogen werden.Materialien können im Labor auf verschiedeneArten mechanisch belastet werden, um eine langeBeanspruchung des Materials im Einsatz zu simulieren.Die dadurch induzierten Schädigungenwerden mittels Scanning-SAXS untersucht unddie Beanspruchungsart mit den dazugehörigenMorphologieänderungen korreliert. Ein Vergleichmit im Einsatz geschädigten Rohren ermöglichtdamit eine gezielte Weiterentwicklung von Rohrwerkstoffen.Günther MaierMaterials Center Leoben Forschung GmbH,Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für Materialwissenschaftund Montanuniversität Leoben, Department MaterialphysikAbbildung 2:Methoden:(a) Orientierungen der Hohlräume bzw.Fibrillen des deformierten Polymers,gekennzeichnet durch Linien; (b) Änderungder Nanostruktur (Langperiode)des Polymers. Rote Balken zeigen eineAufweitung, schwarze eine Kompressionder Strukturelemente an.M35 | M36Lösungen: —Institute:Kontakte:I15 | I3K30Index Kontakte Institute Lösungen MethodenPolyethylen | Polymere | Röntgenkleinwinkelstreuung | SAXSHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005187

LösungenL29: Präparationstechniken in der ElektronenmikroskopieL29: Präparationstechnikenin der Elektronenmikroskopie(REM und TEM) – AnwendungsbeispieleIn diesem Beitrag soll die Vielfalt der präparativenTechniken im Bereich der Raster- und Transmissions-Elektronenmikroskopie(REM und TEM) mittelszahlreicher Aufnahmen aus den unterschiedlichstennaturwissenschaftlich-technologischen Bereichenillustriert werden. Diese Präparationstechnikenbilden eine unabdingbare Voraussetzung für denerfolgreichen Einsatz elektronenmikroskopischerMethoden.s. auch Beitrag „M26: Präparationstechniken inder Elektronenmikroskopie (REM und TEM)“Albert BruneggerTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazAbbildung 2:DNA im TEM. Schräg-(Kegel-)Beschattung.Abbildung 1:MoO 3 -Kristalle im TEM. DirekteDurchstrahlung.Abbildung 3:Magnesiumoxid-Kristalle im TEM. Schrägbeschattungund Abdrucktechnik.188Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L29: Präparationstechniken in der ElektronenmikroskopieAbbildung 4:Abbildung 5:Links: Haltbarmilch (Fett-Wasser-Emulsion) im TEM. Kryopräparation mit Kohlenstoff-Hüllabdruck.Rechts: Wachsröhrchen auf Fichtennadel im TEM. Kryopräparation mit Kohlenstoff-Hüllabdruck.Al 2 O 3 -Schleifkorngefüge im TEM.Ionendünnung.Abbildung 6:Salbe (gefrorene Fettanteile) im REM.Kryopräparation /Kryotransfer.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005189

L29: Präparationstechniken in der ElektronenmikroskopieMethoden:M26Lösungen: —Abbildung 7:Papieroberfläche im REM. Ionenätzung.Wegätzen des Deckanstriches (organisch)und Freilegung der Füllstoffteilchen(anorganisch).Institute:Kontakte:I4K4Abdrucktechniken | Beschichtungstechniken | Ionenätzen | Ionendünnung | KryopräparationKryotransfer | Probenpräparation | Rasterelektronenmikroskopie | REM | TEMTransmissionselektronenmikroskopie190Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL30: Probenpräparation mittelsZweistrahl-FIB / REMAbbildung 1:L30: Probenpräparation mittels Zweistrahl-FIB / REMDie „Focused Ion Beam“-Technik (FIB) hat sichin den letzten Jahren u.a. zu einer äußerst leistungsfähigenMethode zur zielgenauen Präparationdünner Lamellen für die analytische Transmissionselektronenmikroskopieentwickelt. Mit sogenanntenZweistrahlsystemen (dual beam FIB), die Beobachtungsmöglichkeitenin Form von Ionen- undElektronenstrahlen vorsehen, kann der gesamtePräparationsprozess vom Schneiden bis zum Herausheben(lift-out) bzw. Manipulieren der Probein situ, also noch in der FIB-Anlage selbst, durchgeführtwerden. Nachfolgend soll diese „in-situlift-out“-Präparationstechnik anhand der einzelnenPräparationsschritte illustriert werden.FIB-Probenpräparation (SE-Bild). Bildeiner durch einen 2 μm dicken Pt-Streifengeschützten TEM-Lamelle.Zu Beginn wird die genaue Stelle der Probenentnahmelokalisiert. Auf ihr wird zunächst mittelsionenstrahlinduzierter Abscheidung ein ca. 2 μmdicker Pt-Streifen innerhalb einer Abscheideflächevon typ. 20 μm x 1 μm aufgebracht. Dieser hat einerseitsdie Funktion die Oberfläche zu schützen,aber auch kleinere Unebenheiten auszugleichen(Abb. 1). Die Beschleunigungsspannung des Ionenstrahlsbeträgt – wenn nicht anders angegeben– 30 kV, beim Elektronenstrahl ist diese freiwählbar und beträgt gewöhnlich 5 kV.Abbildung 2:TEM-Probenträger (SE-Bild). TEM-Probenträgerfür FIB-präparierte Proben.Diese speziell für die In-situ-Heraushebetechnikgeeigneten Probenträgerermöglichen das Anbringen mehrererTEM-Lamellen. Das unterschiedlicheAussehen der einzelnen Befestigungsstellengewährleistet das schnelleAuffinden bzw. Zuordnen der Probenim Transmissionselektronenmikroskop.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005191

L30: Probenpräparation mittels Zweistrahl-FIB / REMAbbildung 3:FIB-präparierte TEM-Probe (SE-Bild).FIB-präparierte TEM-Lamelle einerKeramikprobe nach dem letzten Dünnungsschritt.Mit ausreichend kleinemIonenstrahldurchmesser können imIdealfall Probenbereiche von etwa 10µm x 10 µm nahezu planparallel aufunter 100 nm Dicke präpariert werden.Spannungen im Probenmaterial könnenjedoch zu einem Verbiegen der Lamelleführen, was eine gleichmäßige FIB-Ionendünnunggroßer Flächen erschwert.Anschließend werden bei hohem Ionenstrahlstromzwei Gräben geschnitten (Abb. 1), welchedas Probenstück grob freilegen. Mit einem etwasfeineren Strahl wird die Probe dann in eine Quader-Form gebracht (die Dicke der Probe beträgt nunetwa 1–2 μm) und bis auf zwei kleine Verbindungenvom Substrat gelöst. Nun wird eine äußerst feineMikromanipulatorspitze aus Wolfram an die Probeherangeführt und mit dieser in Kontakt gebracht.Mittels ionenstrahlinduzierter Pt-Abscheidungwird diese Spitze mit der Probe verbunden unddanach vom Substrat getrennt, indem die zweiverbleibenden Verbindungen mit dem Ionenstrahldurchgeschnitten werden. Die nun an der Mikromanipulatorspitzefrei hängende Probe wird aus demSubstrat herausgehoben und im nächsten Schrittan einen TEM-Probenträger transferiert (Abb. 2),wo sie mittels ionenstrahlinduzierter Pt-Abscheidungangeschweißt wird. Danach trennt man mitdem Ionenstrahl die Manipulatorspitze wieder vonder Probe.192Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L30: Probenpräparation mittels Zweistrahl-FIB / REMDa die Probe für eine transmissionselektronenmikroskopischeUntersuchung zu diesem Zeitpunkt versell für viele Materialklassen einsetzbar. TEM-La-Die TEM-Probenpräparation mittels FIB ist uni-noch zu dick ist, wird sie nun mit dem Ionenstrahl mellen können aus nahezu allen Arten anorganischerschrittweise weiter gedünnt. Der Winkel zwischen Materialien und Werkstoffe (z.B. Halbleiter, Stähle,Ionenstrahl und Probenoberfläche beträgt dabei Hartmetalle, Keramiken, Verbundwerkstoffe, …)nicht mehr als 1– 3°, da ein größerer Winkel zu präpariert werden. Bei organischen Verbindungenungleichmäßigem Abtrag und starker Probenschädigungführen würde. Um bei der noch relativ Voraussetzung ist die Vakuumverträglichkeit desist die Eignung stark materialabhängig. Wichtigstedicken Lamelle eine hohe Abtragrate zu erzielen, Probenmaterials sowie eine möglichst geringe Anfälligkeitauf Strahlenschädigung.beginnt man typischerweise mit Ionenstrahlströmenvon ca. 1 nA und einem Strahldurchmesser von50 nm. Sobald die Probe weniger als 500 nm dickist, wechselt man, abhängig vom Probenmaterial, Weiterführende Literaturzu kleineren Strahlströmen (300 pA – 50 pA), umden Einfluss von Probenschädigung zu minimieren. [1] J. Orloff, M. Utlaut, L. Swanson (2003)Sind Stärken von ca. 50 –100 nm und damit TEMtauglicheLamellendicken erreicht (Abb. 3), wird ein Its Applications“. Kluwer Academic /Plenum„High Resolution Focused Ion Beams: FIB andletzter Ionendünnungsschritt bei 5 keV Ionenenergiedurchgeführt, um oberflächliche Probenamor-Publishers, New York. 303 Seiten.phisierung und Ga + -Implantation zu reduzieren.Michael Rogers, Gerald KothleitnerDies wird unter einem Winkel von ~7° zwischenTechnische Universität GrazIonenstrahl und Probenoberfläche durchgeführt.Forschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undAnschließend kann der Probenträger mit der TEM-FeinstrukturforschungLamelle direkt ins TEM eingeschleust werden.und Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazMethoden:M13 | M27Lösungen: —Institute:I4Kontakte:K21AEM | Analytische Transmissionselektronenmikroskopie | FIB | Focused Ion BeamProbenpräparation | Rasterelektronenmikroskopie | REM | TEM | TEM-ProbenpräparationTransmissionselektronenmikroskopie | ZielpräparationIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005193

LösungenL31: Raman-Spektroskopie in der WerkzeugbeschichtungL31: Raman-Spektroskopiein der Werkzeugbeschichtung– Charakterisierung vonNanoschichten und Überwachungvon VakuumbeschichtungsprozessenDie Raman-Spektroskopie stellt ein sehr einfachdurchzuführendes Verfahren zur Bestimmung vonchemischen Elementen und Verbindungen in Flüssigkeiten,Gasen, aber auch in Oberflächenbereichenvon Festkörpern dar. Das Messprinzip beruhtauf der Messung des durch Teilchen (Atome, Moleküle)inelastisch gestreuten Lichts einer anregendenmonochromatischen Lichtquelle (Laser). Durch dieinelastischen Streueffekte (Stokes-Raman- und Antistokes-Streuung)zeigt dieses Streulicht zusätzlichzur monochromatischen Strahlung element- bzw.molekülspezifische Spektrallinien (Ramanlinien), diegegenüber der Frequenz der anregenden Lichtquelleverschoben sind. Voraussetzung für die Ausbildungdieser Ramanlinien ist eine mit dem Bindungsabstandim Molekül veränderliche Polarisierbarkeit.Die Verschiebungen der auftretenden Ramanliniensind abhängig von der Zusammensetzung derauftretenden Phasen, der Kristallitausrichtung, derKorngröße der Kristallite etc.Daher erlauben diese spezifischen Ramanliniendie Ermittlung der chemischen Zusammensetzungund weiterer strukturphysikalischer Eigenschaften.Vorteil des Verfahrens ist die nur sehr geringe Eindringtiefedes anregenden Laserstrahls (wenige nmbis etwa 50 nm) in metallischen und keramischenOberflächen, wodurch sich die Raman-Spektroskopiesehr gut für Oberflächenanalysen eignet.Abbildung 1:Weißlicht-Interferometrie-Aufnahmenvon Verschleißzonen von TiAlCN-Beschichtungenmit (a) niedrigem und (b)hohem Reibkoeffizient sowie Raman-Spektroskopie-Messungen (c) in denverschiedenen Schichtbereichen (Zuordnungsiehe Indizes A, B, C), welcheeindeutig eine hohe Kohlenstoffkonzentration(D, G) in der Transferschichtzeigen.194Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L31: Raman-Spektroskopie in der WerkzeugbeschichtungAls Beispiel seien Transferschichten genannt,welche sich als Verschleißerscheinung im Reibkontaktvon zwei Oberflächen ausbilden können. DerenDicke liegt im Bereich von wenigen 10 nm, welchejedoch drastische Einflüsse auf die Reibungskräftehaben können.wodurch verschiedenste Schichteigenschaftenwährend des Schichtwachstums detektiert und fürdie Regelung der Beschichtungsprozesse herangezogenwerden müssen. Durch die Raman-Spektroskopiewerden die chemische Zusammensetzung,Phasenstruktur und Kristallitgröße auch währenddes Schichtwachstums zugänglich.Im vorliegenden Fall wurden Titan-Aluminium-Karbonitrid-Beschichtungen untersucht, die in Abhängigkeitvon ihrer chemischer ZusammensetzungWeiterführende Literaturein stark unterschiedliches Reibungsverhaltenaufweisen (s. Abb. 1). Während die Untersuchungmittels optischer Weißlicht-Interferometrie schonHinweise auf das Vorliegen einer Transferschicht(einer Verschleißzone) für die Beschichtung mitniedrigen Reibzahlen (Abb. 1a) gab, bestätigtenRaman-Messungen in verschiedenen Bereichen[1] J. M. Lackner, W. Waldhauser, R. Ebner,R. J. Bakker, T. Schöberl, B. Major (2004)„Room temperature pulsed laser deposited(Ti,Al)C x N 1-x coatings – chemical, structural,mechanical and tribological properties“. ThinSolid Films 468, 125 – 33.des Reibkontakts eindeutig das Vorliegen von Kohlenstoffin Diamant- (D) und Graphit-Struktur (G) inder Transferschicht (s. Abb. 1).Jürgen M. Lackner, Wolfgang WaldhauserJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHLaserzentrum LeobenDie sehr kurzen Messzeiten und die sehr einfacheHandhabung der Raman-Spektroskopieerlaubt zusammen mit der chemischen AnalyseMethoden:M39sehr dünner Oberflächenschichten auch deren Lösungen: —Anwendung in der Prozessüberwachung – z.B.bei Vakuumprozessen. Die Funktionalisierung vonInstitute:I14Oberflächen stellt hohe Anforderungen an die ReproduzierbarkeitKontakte:K24von Beschichtungsprozessen,chemische Zusammensetzung | Prozessüberwachung im Vakuum | Raman-SpektroskopieTransferschichtenIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005195

LösungenL32: Rastertunnelmikroskopie an modernen WerkzeugstählenL32: Rastertunnelmikroskopiean modernen WerkzeugstählenIm Allgemeinen wird das Rastertunnelmikroskopfür Untersuchungen an gut definierten Oberflächenwie z.B. an Einkristallen eingesetzt. Die tatsächlicheForm der Spitze, die den Abbildungskontrast imWesentlichen beeinflusst, ist bei vielen im Betriebstehenden Mikroskopen generell nicht bekannt.In dem, am Institut für Festkörperphysik,TU Graz, installierten Rastertunnelmikroskop isteine 3D-Atomsonde im gleichen Ultrahochvakuumsystemintegriert, in dem die Sondenspitzenvor der Verwendung im Rastertunnelmikroskopcharakterisiert und modifiziert werden können. Ausdiesem Vorteil heraus kann mit einer definiertenSondenspitze auch die Topografie von unbekannten,komplexeren Oberflächenstrukturen zuverlässiguntersucht werden.Als Beispiel ist in Abb. 1 ein Rastertunnelbildder Oberfläche eines modernen Werkzeugstahlesnach Härten und Anlassen dargestellt. Im Bildbereich(100 x 100 nm 2 ) ist ein Teil der martensitischenMatrix wiedergegeben. Die 2 bis 10 nm breitenLamellen sind durch Stufen von etwa 1 nm Höhegetrennt. Aus der ultrafeinen Struktur können wichtigeRückschlüsse auf Phasenumwandlung undKinetik erhalten werden.Die Abbildungsergebnisse sind ähnlich denResultaten aus Replikaaufnahmen im Elektronenmikroskop.Das Rastertunnelmikroskop als direktabbildendesVerfahren hat aber den Vorteil derdeutlich besseren lateralen Auflösung, weiters istdie Präparation der Proben wesentlich einfacher.Manfred LeischTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikAbbildung 1:Rastertunnelmikroskopische Abbildungder Oberfläche eines hochlegiertenWerkzeugstahles. Der Bildbereich von100 x 100 nm 2 zeigt die Feinststrukturder Matrix nach Härten und Anlassen.Die zu beobachtenden Lamellen sindca. 2 bis 10 nm breit und zeigen Stufenvon ca. 1 nm Höhe.Methoden:M31Lösungen: —Institute:I8Kontakte:K27Direktabbildung | Nanostrukturen | Rastertunnelmikroskopie | Stähle | STM | Werkzeugstähle196Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL33: Röntgenkleinwinkelstreuung– Untersuchungenan Zellulose und FüllstoffenVerhornung von Zellulose bei derVerarbeitung von PapierAbbildung 1:L33: Röntgenkleinwinkelstreuung an Zellulose und FüllstoffenBei der Verarbeitung von Holz zu Papier wird diefeuchte Zellulosemasse bis zu einer Restfeuchtevon 5% eingetrocknet, um den Transport zur Weiterverarbeitungzu erleichtern. Beim Eintrocknenverliert die Zellulose ihre Durchlässigkeit gegenüberWasser (Verhornung), was bei der Verarbeitungzu Ausschuss führt. Die Durchlässigkeit von Zelluloselässt sich mit der spezifischen Oberfläche(Oberfläche pro Volumen) charakterisieren, die mitRöntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) messbar ist.Verschieden behandelte Zelluloseproben ausBuchenholz wurden auf ihre spezifische Oberflächemit einem SAXSess-RöntgenkleinwinkelgerätDas Oberflächen-zu-Volumens-Verhältnis(Porosität) von Sulfitzellstoff ausBuchenholz im Vergleich. Das Ausgangsmaterial(wet), bei 25°C, 105°Cund 160°C getrocknetes Material unddas wiederbefeuchtete Material (105°Cwet) nach einer Trocknung bei 105°C.untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Verhornungder Zellulose umso größer ist, je höherdie Temperatur beim Trocknen gewählt wird (s.Abb. 1). Selbst bei einer mittleren Trocknungstemperaturvon 105°C erhält das wiederbefeuchteteMaterial nur ca. 95% seiner ursprünglichen Porositätzurück.Der Kristallinitätsgrad und die Modifikation derZellulose wurden simultan mitgemessen, weil dasSAXSess-Gerät auch den Weitwinkelbereich einbezieht.Diese Information war wichtig zur Kontrolleder chemischen Konsistenz der Proben, sodassein Abbau der Zellulosemoleküle ausgeschlossenwerden konnte.Die Dispersionsqualität vonFüllstoffenDie Resistenz von Treibstoffschläuchen gegenüberLösungsmitteln ist eine von vielen Eigenschaften,die durch das Beimengen von anorganischenMaterialien (Füllstoffen) zu den verwendeten Kunststoffenerreicht wird. Schichtsilikate eignen sichbesonders gut als Füllstoffe, vorausgesetzt, dieanorganischen Schichten lassen sich einzeln undohne Verbleib von unerwünschten Anhäufungen(Aggregaten) dispergieren. Das Aggregationsverhaltenvon Silikatlamellen lässt sich leicht mittelsIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005197

L33: Röntgenkleinwinkelstreuung an Zellulose und FüllstoffenAbbildung 2:Links: Die Röntgenstreukurven von verschieden behandelten Silikatfüllstoffen. Rechts: Die Strukturen desFüllstoffes entsprechend der Farbkodierung. a.u. … arbitrary units, d.h. beliebige Einheiten.Röntgenkleinwinkelstreuung untersuchen, da dieDicken der Silikatlamellen im Nanometerbereichliegen. In Abb. 2 werden die Streukurven von zweiverschieden vorbehandelten Silikaten und einem inKunststoff dispergierten Silikat gezeigt.Das unbehandelte Silikat (blaue Kurve) zeigteine starke Ausbildung von kristallinen Reflexen,hauptsächlich im Weitwinkelbereich (q > 10/nm).Die Silikatschichten sind hier in dicht gepacktenBlöcken angeordnet. Das mit einer oberflächenaktivenSubstanz vorbehandelte Silikat (rote Kurve)zeigt immer noch eine starke Kristallinität, aberdie Abstände zwischen den Lamellen sind durchdie oberflächenaktive Substanz größer geworden– ersichtlich an der Ausbildung von Reflexen beikleinen Streuwinkeln (q < 10/nm).Der Nano-Verbundwerkstoff (grüne Kurve) hingegenzeigt keine Kristallinität mehr an, weil wederim Weitwinkel- noch im Kleinwinkelbereich scharfeReflexe zu finden sind. Der Reflex bei q = 20/nmentspricht der Flüssigkeitsstruktur des amorphenKunststoffes. Die drei Strukturen, die mittels einminütigerMessungen mit dem SAXSess-Geräterhalten wurden, sind in Abb. 2 (rechts) gezeigt.Heimo Schnablegger, Peter Worsch, Petra KotnikAnton Paar GmbHMethoden: M35 | M36 | M38Lösungen: —Institute:I1Kontakte:K42Aggregat | Füllstoff | Kristallinitätsgrad | Kunststoffe | Oberfläche, spezifische | PapierPorosität | Röntgenkleinwinkelstreuung | SAXS | Silikat | Verbundwerkstoff | Zellulose198Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL34: Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS)mittels FIBL34: Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) mittels FIBWerden die durch einen fokussierten Ionenstrahl(FIB) aus dem Grundmaterial herausgeschlagenenIonen (Sekundärionen) nach ihrer Masse analysiert,so kann man Informationen über die Zusammensetzungdes Grundmaterials erhalten. Die Sekundärionen-Massenspektroskopie(SIMS) bietet einigeVorteile gegenüber der vergleichbaren energiedispersivenRöntgenanalyse (EDX). So lassen sichauch sehr leichte Elemente bis hin zum Wasserstoffanalysieren bei zum Teil wesentlich besserenNachweisgrenzen. Allerdings hat diese Methodeauch Nachteile: nicht alle Elemente lassen sichanalysieren und quantitative Ergebnisse sind nurmit einer durchgehenden Standardreihe möglich.Da der Ionenstrahl während der Analyse Probenmaterialabträgt, können recht einfach Tiefenprofileder Zusammensetzung erstellt werden.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Analyse der Zusammensetzung einer Zellwand einer Titan-Hohlkugel mit Hilfe des Sekundärionen-Massenspektrometers.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005199

L34: Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) mittels FIBBei der Herstellung von Hohlkugelstrukturenaus Titan wird z.B. Aluminium als Sinterhilfe beigemengt.Es stellt sich die Frage, wie und wo dasAluminium im fertigen Produkt vorliegt: homogenverteilt, in Form von intermetallischen Phasen oderals Oxid an der Oberfläche? Dazu wurden von derOberfläche der Hohlkugeln schrittweise Schichtenvon einigen hundert nm bis einige μm mit dem Ionenstrahlabgetragen und dabei Massenspektrenaufgenommen. Es zeigt sich, dass das Aluminiumvorwiegend an der Oberfläche und dort zum Teilin Form eines Oxids vorliegt. Abb. 1 zeigt eine typischeHohlkugelstruktur und ein Massenspektrumals Beispiel. Man beachte die Möglichkeit einzelneIsotope aufzulösen, was diese Methode auch fürTracer-Aufgaben geeignet macht.Christian Motz, Daniel Kiener, Thomas Schöberl,Reinhard Pippan, Gerhard DehmMontanuniversität LeobenDepartment Materialphysikund Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftMethoden:M13Lösungen: —Institute:I3Kontakte:K31FIB | Focused Ion Beam | Nanomechanik | Rasterionenmikroskopie | SIMS200Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL35: Synchrotronstrahlung in der industriellen ForschungL35: Synchrotronstrahlungin der industriellen Forschung– Vom Zement bis zurSchokoladeIm Folgenden sollen vier ausgewählte industrielleForschungsbereiche die grundsätzlichen Stärkenvon Synchrotron-gestützten Röntgenbeugungsmethodenbeleuchten. Die Beispiel-Experimente sindmit verschiedenen internationalen Kooperationspartnernan der IBR SAXS-Station am SynchrotronTriest durchgeführt worden.Zeitaufgelöste Strukturuntersuchungenan ZementBeton besteht aus zahlreichen, morphologischunterschiedlichen kristallinen und amorphen Strukturen.Diese Strukturen reichen von wenigen Nanometernbis hin zu einigen Millimetern und sindstatistisch über das Probenvolumen verteilt. ZurAufklärung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen– und letztlich um eine Verbesserung von Materialeigenschaftenzu erzielen – ist die Kenntnis übervorhandene Strukturelemente wichtig. Röntgenkleinwinkelstreuung(englisch: Small Angle X-rayScattering, SAXS) ist eine zerstörungsfreie Methode,welche Aussagen zu amorphen Strukturenim Größenbereich 1 bis 100 Nanometer liefert.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Amorphe (links) und kristalline Strukturen (rechts) verändern sich im Laufe der Hydratation von Zement.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005201

L35: Synchrotronstrahlung in der industriellen ForschungAbbildung 2:Nasschemische Herstellung von ZnS-Nanopartikeln. Ihr Wachstum kann mit Kleinwinkel-Lösungsstreuungverfolgt werden. a.u. … arbitrary units, d.h. beliebige Einheiten.Andererseits können bei größeren Streuwinkeln(englisch: Wide Angle X-ray Scattering, WAXS)Aussagen zur kristallinen Struktur getroffen werden.(s. Abb. 1)Des Weiteren benötigt die Methode der Röntgenbeugungkeine speziellen Probenpräparationsprozeduren,welche die zu untersuchendenMikrostrukturbestandteile i. A. signifikant beeinflussen.Eine Wiederholung der Messung an einund derselben Probe ist demzufolge möglich. Einequalitative Auswertung der Streukurven gibt Auskunftüber Veränderungen in den untersuchtenNanostrukturen, überdies kann eine quantitativeAnalyse der jeweiligen Streukurve als Grundlagezur Berechnung von Teilchenabmessungen undinnerer Grenzfläche dienen.Kontrollierte Herstellung vonNanopartikelnDie elektrischen Eigenschaften von Halbleiternändern sich schlagartig und grundlegend, wennman in den Nanobereich vordringt. Gelingt esnämlich Molekülcluster herzustellen, deren geometrischeAusdehnung in etwa der der Elektronenwellenfunktionentspricht, treten interessanteEigenschaften und neue Effekte zutage, die bisheute noch nicht vollständig verstanden sind. Hierbetritt man das Forschungsneuland der quasi nulldimensionalenPhysik. Insbesondere die Einschränkungder Elektronenbewegung in Nanopartikelnführt zu völlig neuen optischen und elektronischenEigenschaften, die sich im Wesentlichen durch ihreGröße bestimmen lassen. Je nachdem, wie das202Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L35: Synchrotronstrahlung in der industriellen ForschungWachstum von kolloidchemisch synthetisiertenHalbleiter-Nanopartikeln gesteuert wird, könnenspezielle Eigenschaften erzielt werden. Mit Hilfeder intensiven Synchrotronstrahlung können solcheProzesse gezielt verfolgt und somit verschiedenewachstumsfördernde wie hemmende Faktoren studiertwerden (Abb. 2).Das nötige „Quantum“ für dieHalbleiterindustrieDie durch „Quantum Dot“-Nanotechnologienhergestellten Verbund-Halbleiter-Wafer stellen einenenormen Durchbruch auf dem Gebiet der Hochleistungs-Opto-und Mikroelektronik dar. Im Vergleichzu heute herkömmlichen Halbleitern, wie beispielsweiseGallium–Arsenid (GaAs), versprechen dieseneuen Technologien eine deutlich höhere Ausbeutebei der Produktion und eine höhere Leistungsfähigkeit.Um diese neuen Materialien besser zuverstehen und auch um die Herstellung maßgeschneiderter„Quantum Dots“ in Zukunft als einStandardverfahren zu etablieren, bietet die Röntgenbeugungunter streifendem Einfall (englisch:Abbildung 3:Das dreidimensionale Streubild von„Quantum-Dots“ gibt Auskunft über ihreGröße und die Art der Verteilung aufder Wafer-Oberfläche.Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering,GISAXS) ein hilfreiches Analyseverfahren. Mit dieserspeziellen Methode können Größe, Homogenitätund auch Dichteverteilung der „Quantum Dots“auf den Halbleiter-Wafern bestimmt (s. Abb. 3)und damit natürlich auch ihre einzigartigen Eigenschaftenbesser verstanden werden. Bald schonwerden Produkte wie kostengünstige „QuantumDot“-Hochleistungslaser mit hoher Reichweite fürAnwendungen im Telekommunikationsbereich, alsauch mikroelektronische Komponenten von hoherEffizienz immer mehr zum täglichen Bild gehören.Außerdem wird an extrem helle Leuchtdiodenals Ersatz für Glühlampen gedacht, oder auch anTechnologien, die die Integration optischer unddrahtloser Anwendungen auf Silizium-basierendenMikroprozessorchips realisieren. Nicht zuletztwird die erfolgreiche Herstellung von Produktenunter Verwendung von bisher nur sehr schwer zubearbeitenden Materialien wie Gallium-Nitrid (GaN)möglich, was neue spannende Anwendungsgebieteerschließt.Abbildung 4:Kombinierte Schermessung andRöntgenbeugung an Milchfetten. MitSynchrotronlicht machen sich die Forscherauf die Jagd nach verbessertenLebensmittelstandards.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005203

L35: Synchrotronstrahlung in der industriellen ForschungWie Röntgenbeugung denGeschmack von SchokoladeverbessertGeschmack und Wohlempfinden beim Verzehrvon Schokolade ist nicht allein abhängig von denverwendeten Zutaten, fast genauso wichtig sindihre mechanischen Eigenschaften. Schokolade,die schon in der Hand schmilzt oder beim Abbeißennicht den gewissen „Knack“ hat, ist keineSchokolade, die wir bereit sind ein zweites Malzu kaufen. Gute Schokolade schmilzt erst auf derZunge, und verbreitet dann ihr volles Aroma. Diesesgewollte Phasenverhalten ist im wahrsten Sinne desWortes delikat. Im Fachkreis der Lebensmittelwissenschaftlerwird Schokolade im Grundzustand alsGel beschrieben, und erst auf menschliche Körpertemperaturgebracht transformiert sie zu einerArt von Flüssigkristall. Da all diese Vorgänge erstauf der Ebene von Molekülwechselwirkungen und-aggregaten verständlich werden (Strukturgrößenvon 0,4 bis 10 nm), wird in vielen Lebensmittelbereichendas Phasenverhalten, aber auch die Pha-senstabilität mittels Röntgenbeugung untersucht.Insbesondere die Kombination von Kalorimeteroderauch Schermesszellen mit der Methode derRöntgenbeugung helfen immens Nanostrukturenvon Lebensmitteln zu verstehen (s. Abb. 4).Peter LaggnerÖsterreichische Akademie der WissenschaftenInstitut für Biophysik und RöntgenstrukturforschungMethoden: M40 | M35 | M36Lösungen: —Institute:I2Kontakte:K1Halbleiter | Lebensmittelindustrie | Leuchtdioden | Nanoelektronik | Nanopartikel | PhasenstabilitätPhasenverhalten | Quantum Dots | Röntgenkleinwinkelstreuung | RöntgenweitwinkelstreuungSAXS | Strukturen, amorphe | Strukturen, kristalline | Synchrotronstrahlung | TelekommunikationWAXS | Zement204Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

Lösungenlog(σi/Scm -1 )L36: Nanostruktur von nichtstöchiometrischen PerowskitenL36: Nanostruktur von nichtstöchiometrischenPerowskiten– Untersuchungen mittelsTransmissionselektronenmikroskopiePerowskite besitzen ein breites Band an elektrischen/elektronischen Eigenschaften. Es beginntbeim Isolator, geht über Halbleiter und schnelle Ionenleiterbis hin zum metallischen Leiter und sogarbis zum Hochtemperatur-Supraleiter.Der Perowskit La 1-x Sr x CoO 3-δ (LSCO) besitzteine hohe ionische Leitfähigkeit. Infolge dieser Eigenschaftfindet er Anwendung als sauerstoffdurchlässigeMembran (z.B. bei Brennstoffzellen) und alsSauerstoffsensor.Die Präparation von La 0.4 Sr 0.6 CoO 3-δ erfolgtdurch den sogenannten Glyzin-Nitrat-Prozess [1],welchem ein Sinterprozess folgt. Nach dem Sinterneröffnet sich durch eine weitere Temperaturbehandlungdie Möglichkeit, den ursprünglich stöchiometrischenSauerstoff auf einen Wert zwischen 2,5und 3 einzustellen (La 0.4 Sr 0.6 CoO 3-δ ; 0 < δ < 0,5).Bemerkenswert dabei ist der Verlauf der ionischenLeitfähigkeit (Abb. 1), welcher sich in Abhängigkeitvon der Nichtstöchiometrie ergibt [2].Index Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 1:Ionische Leitfähigkeit vonLa 0.4 Sr 0.6 CoO 3-δ als Funktion der Sauerstoff-Nichtstöchiometrie.Abbildung 2: Oben: SAED von La 0.4 Sr 0.6 CoO 2.71 ;[100]-Zonenachse (Pfeile zeigen Überstruktur).Unten: Beugungs-Simulationvon La 0,4 Sr 0.6 CoO 2.71 ; [100]-Zonenachse;der Rahmen entspricht dem Bereichvon Abb. 2a.Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005205

L36: Nanostruktur von nichtstöchiometrischen PerowskitenAbbildung 3:Links: HRTEM von La 0.4 Sr 0.6 CoO 2.71 . Rechts: Diffraktogramm (Fouriertransformation); die Pfeile zeigen dieÜberstruktur.Erwartungsgemäß steigt die ionische Leitfähigkeitanfänglich mit steigenden δ-Werten infolgeder steigenden Zahl von Sauerstoff-Leerstellen an.Die ionische Leitfähigkeit erfährt jedoch schließlichein Maximum bei 3-δ = 2,77. Die nachfolgendeAbnahme der Kurve (3-δ < 2,77) kann nicht überdie anionischen Leerstellen im Kristallgitter erklärtwerden.Abbildung 4: CBED von La 0.4 Sr 0.6 CoO 2.71 ;[100]-Zonenachse mit 4 mm SymmetrieAufgrund der vermuteten Änderungen im Kristallaufbau(Sauerstoffleerstellen-Ordnung) wurdenStrukturuntersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie(TEM) durchgeführt. Dabeiwurden konventionelle Elektronenbeugung (SelectedArea Electron Diffraction, SAED), Hochauflösungs-TEM(High Resolution TEM, HR-TEM) undkonvergente Elektronenbeugung (Convergent BeamElectron Diffraction, CBED) verwendet. Elektronenbeugungs-Bilder(SAED) von La 0.4 Sr 0.6 CoO 2.71(nichtstöchiometrische Probe) zeigen im Gegensatzzur stöchiometrischen Probe La 0.4 Sr 0.6 CoO 3Überstruktur-Reflexe (Abb. 2, oben). Diese zusätzlichenReflexe stehen im Einklang mit Hochauflösungsbildern(Abb. 3, links) und den darausFourier-transformierten Diffraktogrammen (Abb. 3,rechts). Durch diese Hinweise auf eine Änderungder Kristallstruktur erfolgte eine Auswertung vonCBED-Aufnahmen (Abb. 4) aus verschiedenen Zonenachsenbezüglich der Symmetrie. Das Ergebnis206Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L36: Nanostruktur von nichtstöchiometrischen Perowskitenzeigt eine Änderung vom trigonalen Kristallsystem(stöchiometrische Probe) zum tetragonalenKristallsystem (nichtstöchiometrische Probe). Diedaraus ermittelte Punkt- bzw. Raumgruppe dienteals Grundlage für eine Elektronenbeugungs-Simulation,welche die Überstruktur-Reflexe in ausgezeichneterÜbereinstimmung mit den SAED-Bildernwiedergibt (Abb. 2, unten). Durch die RaumgruppeI4/mmm für die nichtstöchiometrische Probe ergibtsich eine Vergrößerung der Elementarzelle, inwelcher die Sauerstoffleerstellen nur mehr an ganzbestimmten Positionen (Pfeil) ihren Platz einnehmenkönnen (Abb. 5).Literatur[1] L. A. Chick, L. R. Pederson, G. D. Maupin,J. L. Bates, L. E. Thomas, G. J. Exarhos(1990) „Glycine-nitrate combustion synthesisof oxide ceramic powders“. Mater. Lett. 10,6 –12.[2] E. Bucher, W. Sitte, I. Rom, I. Papst, W.Grogger, F. Hofer (2002) „Microstructureand ionic conductivity of strontium substitutedlanthanum cobaltites“. Solid State Ionics152–153, 417–21.Christian Gspan, Werner Grogger, Ferdinand HoferTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazAbbildung 5: Elementarzelle von La 0.4 Sr 0.6 CoO 2.71 ;die Pfeile zeigen mögliche Plätze fürSauerstoffleerstellen.Methoden:M17Lösungen: —Institute:Kontakte:CBED | Hochauflösungselektronenmikroskopie | HR-TEM | IonenleiterKonvergente Elektronenbeugung | Perowskit | SAED | TEM | TransmissionselektronenmikroskopieI4K12Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005207

LösungenL37: Tiefenprofilanalyse eines Polymer-LED-BauelementesL37: Tiefenprofilanalyse einesPolymer-LED-Bauelementesmittels AESEin modernes Polymer-LED (light emitting diode)-Bauelementbesteht aus den folgenden Komponenten,die aus einem elektronenmikroskopischenQuerschnittsbild ersichtlich sind (Abb. 1):einem Glassubstrat, einer Indium-Zinn-Oxid(ITO)-Elektrodenschicht, einer Polymerschicht (PEDOT),der aktiven organischen lichtemittierenden Schicht,einer Ca-Schicht (um die Kontakteigenschaftenzu verbessern) und einer Au-bedeckten Al-Kontaktschicht.Abbildung 1:SEM-Querschnittsbild eines Polymer-LED-Bauelementes.Abb. 2 zeigt ein AES-Tiefenprofil des LED-Bauelementes,das durch Abätzen der Schichten mitAr-Ionen erhalten wurde. Die AES-Messungenwurden bei einem Ar-Restgasdruck von 2 x 10 -7mbar unter Ätzen mit einem Ar-Ionenstrahl von 3keV Strahlenerergie und einer Strahlgröße von 2 x 2mm 2 durchgeführt. Nach Abätzen der Al-Kontaktschicht(6-7 min Ionenätzzeit) wird eine signifikanteKonzentration von O an der Grenzfläche zwischenAl und den organischen Schichten detektiert, derSauerstoff liegt wahrscheinlich in chemisorbierterForm vor. Interessanterweise scheint das Ca in dieorganischen Schichten zu diffundieren, was ausdem gleichzeitigen Auftreten der Ca- und C-Signalegeschlossen werden kann. Die breite Region (6-20min), die vom C-Signal dominiert wird, ist auf dieorganischen und polymeren Schichten zurückzuführen.Der Anstieg der O- und In-Signale nach~18-20 min Ionenätzzeit rührt von der ITO-Schichther. Die Grenzfläche zwischen den Polymer- undITO-Schichten ist nicht so scharf ausgeprägt wiejene zwischen der Al-Schicht und den organischenSchichten. Der scheinbare Anstieg des Al-Signalsnach ~30 min Ionenätzzeit ist durch das Überlappendes Al-Augerpeaks mit dem SiO x -Augerpeakdes Glas-Substrates zu verstehen.Svetlozar Surnev, Michael Ramsey, Falko NetzerKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Oberflächen- und Grenzflächenphysik208Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L37: Tiefenprofilanalyse eines Polymer-LED-BauelementesAbbildung 2:AES-Tiefenprofilanalyse eines Polymer-LED-Bauelementes. Die Entwicklungder Al-, O-, C-, Ca-, S- und In-AES-Signale ist als Funktion der Ar + -Ionen-Beschusszeit aufgetragen.(ATC … atomare Konzentration)Methoden:LED | AES | Auger-Elektronenspektroskopie | DPA | Polymere | TiefenprofilM3Lösungen: —Institute:Kontakte:I11K32Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005209

LösungenL38: Ultradünne organische Schicht auf GoldL38: Ultradünne organischeSchicht auf Gold –Untersuchungen mittels TDSAbb. 1 zeigt eine Serie von thermischen Desorptionspektrenvon Quaterphenyl an einer Goldoberfläche.Es sind deutlich zwei verschiedene Desorptionspeakszu erkennen, die sich mit zunehmenderBedeckung auffüllen. Eine genaue Analyse zeigt,dass der Peak bei höheren Temperaturen von derMonolage stammt, während der niederenergetischePeak von der Desorption (Verdampfung) aus derMultilage stammt. Man kann somit eindeutig ausdem TDS erkennen, dass eine energetisch unterschiedlicheMonolage (Monolayer), ein sogenannter„wetting layer“, vorliegt, bevor es zum Aufbau derdicken Schicht (Multilayer) kommt.Dünne organische Schichten aus Quaterphenyloder Sexiphenyl haben besondere Bedeutung fürdie Herstellung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen.Adolf WinklerTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikAbbildung 1:Methoden:Thermischen Desorptionspektren vonQuaterphenyl an einer Goldoberfläche.QMS … Quadrupolmassenfiltera.u. … arbitrary units, d.h. beliebigeEinheiten.M41Lösungen: —Institute:Kontakte:I8K50Desorptionsspektren | Goldoberfläche | Quaterphenyl | TDS | Thermische Desorptionsspektroskopie210Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL39: Untersuchung eines Defektes in einem HL-BauelementL39: Untersuchung einesDefektes in einem Halbleiterbauelementmit TEM, EFTEMund EELSHalbleiterbauelemente spielen in vielen Bereichendes täglichen Lebens eine entscheidendeRolle; integrierte Schaltkreise finden sich in nahezuallen elektronischen Geräten (PC, Handy,TV-Gerät, Stereoanlage, Auto, MP3-Player usw. ).Durch Verkleinerung der Strukturen konnte die Arbeitsgeschwindigkeitder Bauelemente signifikanterhöht werden, sodass die Größe vieler Strukturennunmehr in den nm-Bereich gelangt ist. Geradediese Miniaturisierung hat in den letzten Jahrenzu einem verstärkten Einsatz der Transmissionselektronenmikroskopie(TEM) zur Untersuchungund Charakterisierung von Halbleiterbauelementengeführt. Insbesondere in der Fehleranalyse kommendie analytischen Fähigkeiten der TEM voll zumEinsatz.Das vorliegende Anwendungsbeispiel beschreibtdie Untersuchung eines Halbleiterbauelementes mitTEM, Elektronenenergieverlustspektrometrie (EELS)und Energiefilterungs-TEM (EFTEM). In Abb. 1a istein typischer Querschnitt durch ein Bauelement zuZ Al Ti N O Si1 94 6 Alsehen; deutlich sind die unterschiedlichen Schichtenzu erkennen. Mittels EFTEM wurden an dieserProbenstelle Elementverteilungsbilder von Aluminium(Al), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Silizium (Si)und Titan (Ti) aufgenommen (Abb. 1b –f).Weit deutlicher als im TEM-Bild sind in denElementverteilungsbildern Defekte erkennbar: InAbb. 1e ist ein Si-Einschluss in der leitenden Al-Schicht zu sehen (Pfeil); im Ti-Verteilungsbild sindkleine Auswüchse der TiN-Schicht in das Al erkennbar(siehe Abb. 1f, Pfeile). Diese Defekte wurdenim Folgenden näher „unter die Lupe“ genommen:Abb. 2 zeigt einen Teil der TiN-Schicht bei höhererVergrößerung. An dieser Stelle wurden an sehr kleinenProbenbereichen EELS-Spektren aufgenommen(Abb. 3) und quantitativ ausgewertet (Tab.1).Die Quantifizierungsergebnisse zeigen einemittlere Zusammensetzung von etwa 60% Ti und40% N in der TiN-Schicht. Allerdings ist aus diesenErgebnissen auch ersichtlich, dass sich anbeiden Grenzflächen der TiN-Schicht (zum Al undzum Si-Oxid) chemische Mischphasen bilden. Umeine anschauliche Darstellung der Verteilung dieserGrenzflächenphasen zu bekommen, wurde die Probenstelleaus Abb. 2 mittels EFTEM analysiert undElementverteilungsbilder von Ti, N und O aufgenommen.Eine farbliche Zusammenstellung dieserVerteilungsbilder sieht man in Abb. 4.2 79 14 7 Grenzfläche zwischen Al und TiN3 59 38 3 TiNIndex Kontakte Institute Lösungen Methoden4 13 60 27 Grenzfläche zwischen TiN und SiO 2211Tabelle 1: Quantifizierung der EELS-Spektren aus Abb. 3 (Konzentrationen in at %)Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L39: Untersuchung eines Defektes in einem HL-BauelementAbbildung 1:TEM-Bild (a) und Elementverteilungsbilder von Aluminium (b), Stickstoff (c), Sauerstoff (d), Silizium (e) undTitan (f) eines Querschnittes durch ein Halbleiterbauelement (aus [1]).Die TiN-Schicht in Abb. 4 (gelb als Mischfarbevon rot und grün) ist deutlich schmäler als die Verteilungdes Ti (rot). Zusätzlich zu den dargestelltenElementverteilungsbildern wurden auch solche vonSi und Al aufgenommen und quantitativ hinsichtlichder chemischen Zusammensetzung ausgewertet.Dieses Ergebnis ist in einem daraus gewonnenenLinienprofil zusammengefasst (Abb. 5).Aus diesem Konzentrationsprofil lässt sich folgendeSchichtfolge (ausgehend von der Al-Schicht)angeben: Al, Al-Ti-O-Phase, Ti 0.6 N 0.4 , Ti-N-O-Phase,SiO 2 + Ti, SiO 2 .Literatur[1] W. Grogger, F. Hofer, P. Warbichler, O.Leitner (1999) „Elemental mapping of semiconductordevices using energy-filtering transmissionelectron microscopy“. Inst. Phys. Conf. Ser. 164,35 – 8.Abbildung 2:TEM-Bild eines vergrößerten Ausschnittesaus Abb. 1c mit eingezeichnetenEELS-Analysepunkten (Z1 – Z4).Werner Grogger, Ferdinand HoferTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz212Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L39: Untersuchung eines Defektes in einem HL-BauelementAbbildung 3:Abbildung 4:EELS-Spektren an einer TiN-Schicht (Analysepunkte: siehe Abb. 2): zu sehen sind die Ionisationskantenvon Stickstoff (N-K), Titan (Ti-L23), Sauerstoff (O-K), Aluminium (Al-K) und Silizium (Si-K).EFTEM-Elementverteilungsbilder von Ti(rot), N (grün) und O (blau), die in einemFalschfarbenbild überlagert wurden(gleicher Probenbereich wie Abb. 2).Abbildung 5:Methoden:Quantitatives Konzentrationsprofil,das aus quantifizierten Verteilungsbildernder entsprechenden Elementegewonnen wurde (Position: siehe Pfeilin Abb. 2; aus [1]).M8 | M11 | M2Lösungen: —Institute:Kontakte:I4K12Index Kontakte Institute Lösungen MethodenEELS | EFTEM | Elektronenenergieverlustspektroskopie | Elementverteilungsbilder | EnergiefilterungEnergiefilterungs-Transmissionselektronenmikroskopie | Halbleiter | TEMTransmissionselektronenmikroskopieHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005213

LösungenL40: Untersuchung moderner LegierungswerkstoffeL40: Untersuchung modernerLegierungswerkstoffe mittels3D-AtomsondeDie Atomsonde ist ein sehr leistungsfähigesAnalysegerät für die Untersuchung moderner Legierungswerkstoffe.Sie eröffnet die Möglichkeitdes Studiums von Clusterbildungen, Segregationund Ausscheidungsverhalten in nanostrukturiertenMaterialien und lieferte wichtige Beiträge im Verständnisvon Wachstum und Umwandlungskinetikin nanokristalliner Phasen.Als Beispiel ist hier in Abb. 1 eine 3D-Rekonstruktioneiner Analyse der Matrix eines kommerziellenSchnellarbeitsstahles, der pulvermetallurgischhergestellt wurde (Böhler S390 Microclean),gezeigt. Das hier analysierte Volumen ist 12 x 12 x42 nm 3 (220 Atomlagen in die Tiefe). Das Tiefenprofilzeigt die hohe Homogenität des Materials mit feinstverteiltenAusscheidungen von lamellarer Struktur.Die vergrößert dargestellte Sekundärausscheidungvon 0,3 nm Dicke und 2 nm Länge besteht überwiegendaus Chrom- und Vanadiumkarbiden, zusätzlichfindet sich Molybdän eingelagert und Kobaltim Nahbereich angelagert. Die Atomsondenergebnisseunterstützen hier das Verständnis bezüglichder Mechanismen zur Steigerung der Warmhärtein Werkzeugstählen.Abbildung 1:Methoden:3D-Rekonstruktion einer Tiefenprofilanalyse(12 x 12 nm 2 , 42 nm in dieTiefe): Matrix eines Kobalt-legiertenWerkzeugstahles mit feinstverteiltenSekundärausscheidungen, vergrößertesDetail mit einer plättchenförmigenAusscheidung (0,3 nm dick, ca. 2 nmLänge). Es sind nur die Positionender Legierungsatome dargestellt, dieEisenatome sind transparent.M1Lösungen: –Manfred LeischTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikInstitute:Kontakte:I8K273D APFIM | 3D-Atomsonde | Analytische Feldionenmikroskopie | Legierungen | Stähle214Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL41: Untersuchung von ReaktionswellenfrontenL41: Untersuchung von Reaktionswellenfrontenauf Oberflächenund des Wachstumsvon Filmen organischer Halbleitermittels PEEMDie Leistungsfähigkeit von PEEM wurde als erstesdurch die Beobachtung sogenannter Reaktionswellenfrontenauf Oberflächen erkannt. Die Einwirkungbestimmter Gasgemische auf katalytischeOberflächen erzeugt Reaktionswellenfronten, dieman mittels PEEM, aufgrund der Austrittsarbeitsunterschiededer temporär auf der Oberfläche vorhandenenAdsorbate, beobachten kann. Die räumlich-zeitlichenMuster bestehen aus konzentrischenRingen die sich von Defekten her ausbreiten. DieReaktion kann in Echtzeit (d. h. 30 Bilder/s) währendman die Reaktionsparameter Temperatur undGaspartialdruck ändert, verfolgt werden. Zudemkann die Reaktion jederzeit angehalten werden, umdie genaue Zusammensetzung spezieller Bereichezu untersuchen. Abb. 1a zeigt eine Momentaufnahmeder (H 2 + NO => H 2 O + N 2 )-Reaktion auf einerRh-Oberfläche bei 250°C, wobei die dunklen Ringevon Sauerstoff und die hellen Ringe von Stickstoffauf der Oberfläche herrühren.aIn einer interessanten Anwendung wurde mitPEEM das Wachstum von Filmen organischer Halbleiteruntersucht, wie Abb. 1b anhand der Momentaufnahmedes Wachstums von Pentacene illustriert.Dieses Beispiel zeigt die nicht-destruktive Natur vonPEEM, was besonders bei empfindlichen Proben einengroßen Vorteil gegenüber seinem Gegenstück,dem Rasterelektronenmikroskop (SEM), darstellt.Ein Review der Photoelektronenmikroskopie undihrer Anwendung in den Oberflächen- und Materialwissenschaftenfindet sich in [1].Abbildung 1:b(a) Reaktionswellenfronten auf Rh (Bildfeld= 500 µm). (b) Fraktalwachstumvon Pentacene auf Si.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005215

L41: Untersuchung von ReaktionswellenfrontenLiteratur[1] S. Günther, B. Kaulich, L. Gregoratti, M.Kiskinova (2002) „Photoelectron microscopyand applications in surface and materialsscience”. Progress in Surface Science 70,187–260.Svetlozar Surnev, Michael Ramsey, Falko NetzerKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich Experimentalphysik,Oberflächen- und GrenzflächenphysikMethoden:M24Lösungen: —Institute:I11Kontaote:K36Katalyse | organische Filme | PEEM | Pentazen | Photoemissions-ElektronenmikroskopieReaktionswellenfront | Rhodium216Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL42: Wasserstoffdesorptionvon Vanadiumoberflächen– Untersuchungen mittelsTDSL42: Wasserstoffdesorption von VanadiumoberflächenManche Metalle wie Palladium, Niob oder Vanadiumhaben die Eigenschaft große Mengen vonWasserstoff zu lösen. Der Übergang aus der Gasphaseins Volumen, und somit die Geschwindigkeitmit der Wasserstoff im Metall gespeichert werdenkann, erfordert eine hohe Wahrscheinlichkeit für diedissoziative Adsorption auf der Oberfläche. Diesewiederum hängt wesentlich von der Struktur undchemischen Zusammensetzung (Verunreinigung)der Oberfläche ab. Umgekehrt wird bei Temperaturerhöhungder Metallproben der Wasserstoffwieder aus dem Volumen entweichen. Dies kannsehr gut mittels Thermischer Desorptionsspektroskopie(TDS) untersucht werden. In Abb. 1 sindWasserstoffspektren für unterschiedliche Volumsbeladungeneines Vanadium(100)-Einkristalls zu sehen.Im Bereich zwischen 100 K– 500 K desorbiertder auf der Oberfläche adsorbierte Wasserstoff,während bei hohen Temperaturen (1000 K) der imVolumen gelöste Wasserstoff über die Oberflächerekombinativ desorbiert.Adolf WinklerTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikAbbildung 1:Methoden:Thermische Desorptionsspektren fürunterschiedliche Wasserstoff-Volumsbeladungeneines Vanadium(100)-Ein-M41Lösungen: —Institute:Kontakte:Adsorption | Desorption | TDS | Thermische Desorptionsspektroskopie | Vanadium | WasserstoffI8K50Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005217

LösungenL43: XPS-Untersuchungen an Titanoxid-SchichtenL43: XPS-Untersuchungen anTitanoxid-SchichtenTitanoxid (TiO 2 ) weist neben guten dielektrischenEigenschaften (ε r ~ 100) auch einen hohenBrechungsindex von ca. 2,5 auf. Da sich TiO 2 außerdemmit dem PLD(Pulsed Laser Deposition)-Verfahren i. A. sehr gut reaktiv abscheiden lässt,ist es für hochreflektierende optische Vielschichtsystemeein aussichtsreicher Kandidat als Schichtmaterialmit hohem Brechungsindex.Sauerstofffluss während des reaktiven PLD-Prozesseseine stabilere TiO 2 -Schicht erzeugt. Der relativeAnteil des durch Sputtern reduzierten Titans ist beihöherem Sauerstofffluss geringer (s. Abb. 3).Alexander FianJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialien und PhotonikDie lichtmikroskopische Auswertung von mittelsPLD hergestellten Proben ergibt tendenziell geringerSchichtdefekte (Droplets, Partikel) für niedrigereLaserstrahlungs-Intensitäten bei der Verdampfung(Abb. 1). Durch Variation des O 2 -Flusses währendder reaktiven Abscheidung ist nur ein geringer Einflussauf die Schichtqualität erreichbar.Für die XPS-Messungen mussten die Probenvor der Messung durch Sputtern gereinigt werden.Es zeigten sich unterschiedlich starke Verunreinigungender Schichten, die sich ohne Reinigungbei der quantitativen XPS-Analyse stark auswirkenwürden. Die Peakposition des Ti-2p-Dubletts beiden ungereinigten Proben entspricht jedoch miteinem „chemical shift“ von 4,8 eV im Vergleich zummetallischen Peak genau jener des TiO 2 (s. Abb. 2).Die Sputterreinigung der TiO x -Schichten vor derXPS-Messung zeigte eine deutliche Reduktion desMaterials (präferentielles Sputtern von Sauerstoff).Zum direkten Vergleich wurden die verschiedenenProben gleich lange (20 Minuten) mit einer Sputterenergievon 500 eV von Kohlenstoffverunreinigungenbefreit. Hier zeigt es sich, dass ein höhererAbbildung 1:Lichtmikroskopische Aufnahmender durch Verdampfung aus einemmetallischen Titan-Target bei 5 sccm(a,c,e) bzw. 30 sccm (b,d,f) O 2 -Gasflussund variierender Leistungsdichte des1064 nm Laserstrahls auf dem Targetabgeschiedene TiO x -Schichten (Beschichtungsdauer:45 min). Die Leistungsdichtewird durch die Fokuslagedes Laserstrahls beschrieben, wobeikleine Abstände des Fokuspunkts desLaserstrahls hohe Leistungsdichtenrepräsentieren: (a,b) 8 cm, (c,d) 12 cmund (e,f) 24 cm.218Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

L43: XPS-Untersuchungen an Titanoxid-SchichtenAbbildung 2:XPS-Detailaufnahme des Ti-2p-Dublettsbei ungereinigter Probe und nachSputtern mit 500 eV bzw. 2000 eV derSchicht TiO 2 -16-FUPA aus einer PLD-Laboranlage mit 60 sccm Sauerstofffluss.Das Auftreten eines einzelnenTi-2p-Dubletts mit einer Peakverschiebungvon 4,8 eV im Vergleich zur Lagedes metallischen Dubletts bei derungereinigten Probe lässt auf einenvollständigen Ablauf der Reaktion zuTiO 2 schließen.Abbildung 3:Methoden:Detailscan des TiO 2 -2p-Dubletts beiunter verschiedenen Bedingungen hergestelltenTiO 2 -Schichten. Alle Probensind 20 Minuten mit 500 eV gesputtert.Der zu niedrigeren Bindungsenergienverschobene relative Anteil des Dublettsist bei höherem Sauerstoffflussgeringer.M32Lösungen: —Institute:Kontakte:chemische Zusammensetzung | ESCA | Koordinationszahlen | OberflächenanalytikRöntgenphotoelektronenspektroskopie | Stöchiometrie | XPSI10K7Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005219

Institute,Institutionen undFirmenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005I

InstitutionenI1: Anton Paar GmbHI1: Die Anton Paar GmbHDie Anton Paar GmbH ist Produzent hochwertigerMess- und Analysegeräte für Industrie undForschung. In einigen Bereichen der Messtechniksind wir Weltmarktführer. Seit der Gründungunseres Unternehmens sind der Innovationsgeistunserer Mitarbeiter und ihr ausgeprägter Hang zurQualität unser Rückgrat.Anton Paar stellt High-end-Geräte für die Materialforschungher, die der Charakterisierung undOptimierung von Materialeigenschaften dienen.Unsere Röntgen-Kleinwinkelstreugeräte und Zusätzefür die In-situ-Röntgendiffraktion erlaubeneine schnelle Untersuchung der inneren Strukturvon Substanzen bei verschiedenen Temperaturenund unterschiedlichen Atmosphären. Durch dieStreuung von Röntgenstrahlen an den Atomlagenoder den Partikeln in der Probe erhält man detaillierteAussagen über Materialstruktur und Materialbeschaffenheit.Mit unserem Strömungspotenzial-Messgerätwerden Wechselwirkungen an den Grenzflächenzwischen makroskopischen Festkörpern und Flüssigkeitenuntersucht. Diese Wechselwirkungen führenzur Entstehung einer Oberflächenladung amFeststoff. Durch die Analyse dieser Grenzflächenmittels Strömungspotenzial-Messungen könnendefinierte Oberflächenbeschaffenheiten erkanntund Materialien mit neuen Eigenschaften entwickeltwerden.Weitere Produktbereiche der Firma Anton Paar sindDichte- und KonzentrationsmessungRheometrie und ViskosimetriePräparation für die Spurenanalyse und chemischeSyntheseFertigung hochpräziser feinmechanischerTeile (Laser-, CNC-Fertigung,Verbindungstechniken)Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005223

I1: Anton Paar GmbHFirmenstrukturGründung: 1922Eigentum:Santner Stiftung(gemeinnützige undmildtätige Stiftung)ManagementGeschäftsführung:Dr. Friedrich SantnerAufsichtsrats-Vorsitzender: DI Ulrich SantnerEckdatenKontaktAnton Paar GmbHAnton-Paar-Straße 208054 Graz, AustriaTel. +43 316 257- 0Fax +43 316 257-257info@anton-paar.comwww.anton-paar.comGeschäftsführer: Dr. Friedrich SantnerMitarbeiter:weltweit mehrals 600Umsatzwachstum:> 10% pro Jahr(im Durchschnitt derletzten 10 Jahre)Exportanteil: > 90%F&E-Ausgaben:> 20% desUmsatzesQualitätsmanagement: ISO 9001:2000zertifiziertMethoden:Lösungen:M15 | M35 | M36M38 | M43 | M45L21 | L33Institute: —Ulrich SantnerAnton Paar GmbHKontakte:K41Analysegeräte | Elektronik | Feinmechanik | Materialforschung | Messgeräte | MesstechnikRöntgenkleinwinkelstreuung | SAXS | Zeta-Potenzial224Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InstitutionenI2: Die österreichische SAXS-Station in Triest, IBR, ÖAWI2: Die österreichische SAXS-Station am SynchrotronELETTRA in TriestDie Synchrotron-„Lichtmaschine“, die dem GrazerInstitut für Biophysik und Röntgenstrukturforschung(IBR) der Österreichischen Akademie derWissenschaften bei ELETTRA in Triest zur Verfügungsteht (s. Abb. 1), gehört zu den europaweitführenden Großforschungsanlagen, und ist zu einemäußerst wertvollen Werkzeug der industriellenForschung geworden. Insbesondere die vom IBRaufgebaute Röntgenkleinwinkel-Messstation dienteiner breiten Wissenschaftler-Klientel, welche ausganz Europa zusammenkommt, um an vordersterFront Materialforschung zu betreiben. Genausowie das IBR-Mutterinstitut in Graz sich ständigneuen Herausforderungen in der interdisziplinärenNanoforschung stellt, so unterliegt auch die IBR-Außenstelle in Triest dem ständigen Prozess wegweisenderWeiterentwicklung und Neuerung.Die IBR-Außenstelle wird vom Grazer Teamunter der Leitung von Prof. Peter Laggner geführtund zählt heute zu den weltweit führenden Laborszur röntgenoptischen Erforschung von Nanostrukturen.Abbildung 1:Am Synchrotron ELETTRA bei Triestbetreibt das IBR eine hoch-innovativeSAXS-Station.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005225

I2: Die österreichische SAXS-Station in Triest, IBR, ÖAWDie intensive und brillante Lichtquelle von ELET-TRA erlaubt aber nicht nur Fotos verschiedensterMaterialien mit molekularer Auflösung zu schießen,sondern auch dynamische Prozesse quasi filmischfestzuhalten. So werden beispielsweise die Wirkungsweisevon Oberflächensensoren oder die Effizienzneuer Antibiotika in Echtzeit erfasst. Die Listezukunftsträchtiger Technologiefelder, welche vonder IBR-Kamera vor Ort profitieren, ist lang: MedizinischeDiagnostik, Herstellung von Nanopartikeln,Verbesserung von Lebensmittelstandards, Schaffungmaßgeschneiderter Katalysematerialien unddie Entwicklung neuer Sicherheitstechniken („molekulareStrichcodes“) sind nur einige von vielenvielversprechenden Themenschwerpunkten.Österreichische Akademie derWissenschaftenInstitut für Biophysik undRöntgenstrukturforschungSchmiedlstrasse 68042 Graz, AustriaTel. +43 316 41 20 -300Fax +43 316 41 20 -390ibr.office@oeaw.ac.atwww.ibr.oeaw.ac.atwww.ibr.oeaw.ac.at /beamline /home.htmlDirektor: Univ.-Prof. Dr. Peter LaggnerPeter LaggnerÖsterreichische Akademie der WissenschaftenInstitut für Biophysik und RöntgenstrukturforschungKontaktÖsterreichische Akademie derWissenschaftenInstitut für Biophysik undRöntgenstrukturforschungc/o Sincrotrone Trieste,Strada Statale 14, km 163.534012 Basovizza, ItalienTel. +39 040 375-0Fax +39 040 93809 02www.elettra.trieste.itwww.elettra.trieste.it/experiments/beamlines/saxsMethoden: M40 | M35 | M36Lösungen:L35Institute: —Kontakte:K25Kleinwinkelstreuung | Nanostrukturforschung | Oberflächenstreuung | Österreichische SAXS-StationRöntgenbeugung/diffraktion, zeitaufgelöste | SAXS | Synchrotron ELETTRA | Weitwinkelstreuung226Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InstitutionenI3: Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft, ÖAWI3: Das Erich-Schmid-Institutfür Materialwissenschaft(ESI) der ÖsterreichischenAkademie der WissenschaftenDas Erich-Schmid-Institut (ESI) für Materialwissenschaftder Österreichischen Akademie derWissenschaften wird in Personalunion mit demDepartment Materialphysik der MontanuniversitätLeoben von Prof. Dr. Gerhard Dehm geleitet.Der Schwerpunkt des ESI liegt in der Aufklärungund Beschreibung materialphysikalischer Grundlagenphänomenevon Werkstoffen bis in Nanodimensionen.Am Institut befassen sich die ca. 50MitarbeiterInnen mit den ThemenKomplexe MaterialienPlastizität und BruchHochverformungNanomechanikMikro- und NanostrukturIn dem Themenfeld „Komplexe Materialien“widmet sich das ESI den Struktur- und Eigenschaftsuntersuchungenvon oftmals hierarchischaufgebauten Werkstoffen mit Gefügemerkmalenim Nanometerbereich. Die Palette reicht von Legierungssystemen,metallischen Schichten, zellulärenWerkstoffen, Verbundwerkstoffen bis zu biologischenMaterialien.Die Themenbereiche „Plastizität und Bruch“,„Hochverformung“ sowie „Nanomechanik“ bildenden Kern der mechanischen Eigenschaftsuntersuchungenam ESI und erstrecken sich übermehrere Größenordnungen in der Längenskala.Die Forschungsaktivitäten reichen von der Schadensanalyseam Bauteil bis hin zu Materialdefektenmit atomaren Dimensionen und von der Werkstoffoptimierung(„Materials Design“) bis zur Syntheseneuer nanokristalliner Werkstoffe durch „Hochverformung“.Das Hauptziel des Bereiches „Plastizität undBruch“ liegt in der Erforschung der Zusammenhängezwischen dem lokalen Verformungs-, Schädigungs-und Bruchverhalten und dem lokalenGefügeaufbau für Modellwerkstoffe und technischwichtige Materialsysteme, wie z.B. Metallmatrixverbundwerkstoffe,Mehrphasenstähle und Schichtsysteme.In den vergangenen Jahren wurde eingeeignetes Instrumentarium zur experimentellenCharakterisierung des lokalen Verformungs- undBruchverhaltens entwickelt, mit dem wir weltweitführend sind.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005227

I3: Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft, ÖAWDie Thematik „Hochverformung“, die am ESIin ein Christian-Doppler-Labor eingebettet ist,stellt eine neue Methode dar, bei relativ niedrigenTemperaturen mikro- oder nanokristalline Massivwerkstoffein größeren Mengen aus Metallen,Legierungen, metallischen Verbundwerkstoffenund intermetallischen Werkstoffen zu erzeugen.Am Institut wurden drei Verfahren aufgebaut undweiter entwickelt. Das Ziel der Forschungsarbeitenist es, die physikalischen Prozesse, die bei der Verformungund bei der Struktureinstellung ablaufen,besser zu verstehen, um so neuartige Werkstoffemit besonderen mechanischen und physikalischenEigenschaften erzeugen zu können.In dem Forschungsfeld „Nanomechanik“ erfolgtdie Bestimmung mechanischer Werkstoffeigenschaftenim Mikro- und Nanometermaßstab. MiniaturisierteZug-, Druck- und Biegeproben könnenmit einem Rasterionenmikroskop (FIB) aus Massivwerkstoffensowie nanoskaligen Materialien gezieltherauspräpariert werden. Anschließend werden dieProben z.B. mit einer Nanoindentiervorrichtung verformt,um den Einfluss der Probengeometrie, voninneren Grenzflächen, Fremdphasen und Korngrenzenauf die Materialeigenschaften zu untersuchen.Das Thema „Nanomechanik“ bietet neben Anknüpfungspunktenzur Mikroelektronik, Mikrosystemtechnikund Sensortechnik auch die Möglichkeitwohl definierte Grundlagenuntersuchungen antechnologisch relevanten Massivwerkstoffen (z.B.Stahl, Legierungen, Keramiken) mit nano-dimensioniertenFremdphasen durchzuführen.Abbildung 1:Die Themenfelder des Erich-Schmid-Institutes für Materialwissenschaft.228Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I3: Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft, ÖAWIm Bereich „Mikro /Nanostruktur“ liegen dieSchwerpunkte in der Aufklärung des innerenAufbaus von Werkstoffen und in der Analyse vonDefekten und ihrer Dynamik unter Berücksichtigungder Materialeigenschaften. Hierzu werdenkommerziell verfügbare Methoden eingesetzt, weiterentwickelt,und neue Verfahren implementiert.Methodische Schwerpunkte stellen die mechanischeSpannungsmessung (Dehnungsmessung)mit Hilfe von Röntgen- und Synchrotronstrahlung(z.B. ELETTRA, HASYLAB), die Röntgenkleinwinkelstreuungzur Analyse von nanodimensioniertenPhasen und Poren, die Defektanalyse durch Transmissionselektronenmikroskopie(TEM), die Rasterelektronenmikroskopiemit chemischer Analyse undTexturmessung, sowie die Rasterkraftmikroskopie(AFM) dar.In allen Forschungsfeldern arbeiten wir intra- undinterdisziplinär mit nationalen und internationalenForschungseinrichtungen zusammen. Die Anbindungunserer Grundlagenforschung an innovativeund industrierelevante Fragestellungen verfolgenwir durch gemeinsame Forschungsprojekte mitPartnern aus der Industrie.Gerhard DehmÖsterreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftKontaktÖsterreichische Akademie derWissenschaftenErich-Schmid-Institut fürMaterialwissenschaftJahnstraße 128700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 804-112Fax +43 38 42 804-116akademie@unileoben.ac.atwww.oeaw.ac.at/esiMethoden:Lösungen:M2 | M10 | M13 | M15M17 | M18 | M20 | M27M28 | M33 | M34 | M35M36 | M40 | M42L7 | L11 | L17 | L19L27 | L28 | L34Institute: —Kontakte:Bruch | Hochverformung | komplexe Materialien | mechanische Eigenschaften | MikrostrukturenNanomechanik | Nanostrukturen | PlastizitätDirektor: Univ.-Prof. Dr. Gerhard DehmK5Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005229

InstitutionenI4: FELMI-ZFE, TU GrazI4: Das Forschungsinstitut fürElektronenmikroskopie undFeinstrukturforschung derTechnischen Universität Grazund das Zentrum für ElektronenmikroskopieGrazDas Forschungsinstitut für Elektronenmikroskopie(FELMI) der Technischen Universität Grazkooperiert mit dem Zentrum für ElektronenmikroskopieGraz (ZFE Graz) des gemeinnützigen Vereineszur Förderung der Elektronenmikroskopie. DieForschungsaktivitäten des Instituts konzentrierensich auf die Entwicklung neuer mikroskopischerUntersuchungs- und Präparationsmethoden für dieMikro- und Nanoanalytik von Werkstoffen, Bauelementenund Biomaterialien mittels Elektronenmikroskopieund verwandter mikroskopischer Methoden.Im Institut sind derzeit die leistungsfähigsten ElektronenmikroskopeÖsterreichs im Einsatz. Das ZFEGraz kooperiert in erster Linie mit Klein- und Mittelbetriebender österreichischen Wirtschaft und istin die Austrian Cooperative Research (ACR) eingebunden.Die enge Zusammenarbeit im Forschungsverbundermöglichte den Aufbau einer in Österreicheinzigartigen Einrichtung, die sich durch ein hohesAbbildung 1:Das Tecnai F20 Transmissionselektronenmikroskop.Abbildung 2:Kristallographische Orientierung vonAustenit in einer Schweißnaht (Elektronenrückstreubeugungim Rasterelektronenmikroskop;blau = 111-Orientierung).230Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I4: FELMI-ZFE, TU GrazMaß an Interdisziplinarität und die enge Verbindungzwischen Grundlagenforschung und angewandterwirtschaftsnaher Forschung auszeichnet. Nationaleund internationale Kooperationen mit führendenForschungseinrichtungen sichern den hohen Standardunserer Forschungsarbeiten.Im Forschungsverbund beschäftigen sich derzeit45 Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen mit folgendenSchwerpunkten:MikrobereichsanalytikIn-situ-ElektronenmikroskopieNanoanalytikNanostrukturierung von BauelementenIm Bereich „Mikrobereichsanalytik“ konzentrierensich die Arbeiten auf Entwicklungen in der Rasterelektronenmikroskopie(REM), mit der die meistenFestkörper, Werkstoffe und Bauelemente in Bezugauf Topographie, chemische Zusammensetzungund Kristallographie mit einer Auflösung von etwa0,1 μm bis 1 μm charakterisiert werden können.Dazu werden Röntgenspektrometrie (EDXS) undRückstreuelektronenbeugung (EBSD) eingesetztund mit modernen Methoden der Lichtmikroskopieund der Rastersondenmikroskopien verknüpft. Im„klassischen“ Rasterelektronenmikroskop sind Untersuchungennur im Hochvakuum möglich, feuchteProben können daher nicht direkt untersucht werden.Mit der Einführung des „Environmental“-Rasterelektronenmikroskops(ESEM) können neuerdingsauch feuchte bzw. Feuchtigkeit enthaltende Probenuntersucht werden, wodurch der Einsatzbereich invielfacher Hinsicht erweitert wird. Das Hauptziel desForschungsbereichs „In-situ-Elektronenmikroskopie“liegt in der Entwicklung von dynamischen Untersuchungsmethodenwie z.B. Zug- und Druckuntersuchungenan Polymeren und Verbundwerkstoffen,chemische Reaktionen in und auf Festkörpern beiverschiedenen Temperaturen (-170°C bis 1500°C)und unter verschiedenen Gasatmosphären.Da die Mikrostruktur von Polymeren und Biomaterialienfür die Optimierung der makroskopischenEigenschaften eine immer größere Rolle spielt,wurden die Forschungsarbeiten auch auf Raman-und Infrarot-Mikrospektrometrie ausgedehnt. Damitkönnen die am Institut hoch entwickelten Methodenfür die morphologische Charakterisierung vonIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenAbbildung 3:Schreiben mit einem fokussiertenIonenstrahl in der „Focused Ion Beam“-Anlage.Abbildung 4:Hochauflösungs-TEM-Bild eines PtMo-Katalysator-Teilchens (Durchmesser60 nm).Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005231

I4: FELMI-ZFE, TU GrazPolymeren (inkl. Kryomikroskopie) mit spektroskopischenMethoden, die Informationen über denchemischen Verbindungstyp und zur Verteilungchemischer Phasen mit μm-Auflösung liefern, mitneuen Methoden in der Licht- und Elektronenmikroskopiekombiniert werden. Im Forschungsbereich„Nanoanalytik“ liegt der Schwerpunkt auf dem Gebietder Transmissionselektronenmikroskopie, mitder es möglich ist in das Innere von Festkörpern zublicken, die Struktur von Festkörpern mit atomarerAuflösung aufzuklären, Defekte zu identifizieren unddie chemische Zusammensetzung mit Nanometerauflösungzu messen. Hierzu werden methodischeEntwicklungen im Bereich der sub-Nanometer-Analytikmittels Elektronenenergieverlustspektrometrie(EELS) und Energiefilterungsmikroskopie (EFTEM)vorangetrieben. Mit der weltweit zweiten Installationeines analytischen Hochauflösungselektronenmikroskops,das mit einem Monochromator für dieElektronenquelle ausgerüstet ist, konnte das Institutseine international anerkannte Themenführerschaftweiter ausbauen.Das Hauptziel des neuen Schwerpunktes„Nanostrukturierung“ liegt in der Erforschung vonlokalen Nanostrukturen und funktionellen Bauelementen.Dazu werden neue Präparations- undUntersuchungsmethoden entwickelt bzw. auf aktuellematerialwissenschaftliche Problemstellungenangewendet. Mit einer „Focused Ion Beam“-Anlage(FIB) werden Mikro- und Nanostrukturen mit neuenEigenschaften präpariert und gleichzeitig in Bezugauf ihre Struktur und die lokalen physikalischen Eigenschaftencharakterisiert. Aktuelle Forschungsarbeitenkonzentrieren sich neben der Modifizierungvon Halbleiterbauelementen auf die Entwicklungneuer Methoden für die 3D-Elementanalyse vontechnologisch relevanten Materialien.Methoden: M2 | M6 | M8 | M10 | M11M13 | M17 | M21 | M26M27 | M30 | M39 | M44Lösungen:L4 | L10 | L20 | L22L29 | L30 | L36 | L39Institute: —Kontakte:Ferdinand HoferTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undKontaktFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazTechnische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopieund Feinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873-83 20 bzw. -83 21Fax +43 316 81 15 96sekretariat@felmi-zfe.atwww.felmi-zfe.tugraz.atInstitutsleiter:Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ferdinand HoferK14Dünnschichten | Infrarot-Mikroskopie | Mikrostrukturen | Nanostrukturen | NanoteilchenRaman-Mikroskopie | Rasterelektronenmikroskopie | Transmissionselektronenmikroskopie232Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InstitutionenI5: HECUS XRS GmbHI5: Die HECUS XRS GmbHDie HECUS XRS GmbH liefert Gesamtlösungenfür die Nanostrukturanalyse mittels Röntgenklein-und -weitwinkelstreuung (Small-Angle X-rayScattering, SAXS; Small- and Wide-Angle X-rayScattering, SWAXS).Das Unternehmen, mit Firmensitz in Graz, wurde1996 als akademisches Spin-off gegründet. DasZiel von HECUS war und ist es, SAXS von einerabschreckend komplexen Methode zu einem einfachanzuwendenden Werkzeug zu machen. DieseÜberführung von „abgehobener“ Wissenschaft inLösungen für reale Fragestellungen in Produktion,Qualitätskontrolle und technologischer Entwicklungerfordert ständigen Kontakt zwischen Anwendernund Forschern. Diese Einstellung spiegelt sich inden starken Wurzeln des Unternehmens in akademischenInstitutionen (Prof. Peter Laggner, derMitgründer von HECUS XRS GmbH, ist auch Direktordes Instituts für Biophysik und Röntgenstrukturforschungder Österreichischen Akademie derWissenschaften) und dem vorteilhaften Zugang zurneuesten Technologie auf diesem Gebiet durch dieVerbindungen zur österreichischen SAXS-Beamlineam Synchrotron ELETTRA in Triest einerseits, unddurch weitgespannte Kontakte in Forschung undIndustrie andererseits.Basierend auf der jahrzehntelangen Traditionder SAXS-Technologie in Graz, wo eines der bestenröntgenoptischen Systeme – der Kratky-Kollimator– konzipiert und realisiert wurde, entwickelteHECUS die SAXS-Technologie in Hinblick aufpraktische Erfordernisse konsequent weiter. AlsResultat stellen HECUS-Systeme heute die weitestentwickelten Lösungen hinsichtlichBenutzerfreundlichkeitAusrichtung auf KundenbedürfnisseKundenbetreuung vor und nach dem KaufVerlässlichkeit, kurze Messzeiten undPräzision, sowieKostengünstigkeitdar.Peter M. AbujaHECUS XRS GmbHIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005233

I5: HECUS XRS GmbHKontaktHECUS XRS GmbHReininghausstrasse 13a8020 Graz, AustriaTel. +43 316 4811 18Fax +43 316 4811 18-20office@hecus.atwww.hecus.atGeschäftsführer: Univ.-Prof. Dr. Peter LaggnerMethoden:Lösungen:Institute:Kontakte:M14 | M35 | M36 | M40L9 | L24I2K25 | K26Kratky-Kollimator | Nanostrukturanalyse | Nanostrukturen | RöntgenkleinwinkelstreuungRöntgenweitwinkelstreuung | SAXS | SWAXS | Synchrotron | WAXS234Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InstitutionenI6: Institut für Chemie, KFU GrazI6: Das Institut für Chemieder Karl-Franzens-UniversitätGrazDas Institut für Chemie (IfC) der Karl-Franzens-Universität Graz entstand im Jahr 1999 durch denZusammenschluss der Institute für Analytische,Anorganische, Organische, Physikalische undTheoretische Chemie. Wir sehen es als unsereAufgabe, Forschung und Lehre auf internationalemNiveau durchzuführen. Essentielle Werte sindfür uns Chancengleichheit und der achtungsvolleUmgang miteinander. Ständige Weiterbildung undoptimale Nachwuchsförderung sind uns wichtig.Wir bieten ambitionierten WissenschafterInnen eineArbeitsumgebung, in der sie sich in der Forschungund in der Lehre entfalten können. Es ist uns einAnliegen, verantwortungsbewusst gegenüber unsererUmwelt und der Gesellschaft zu handeln unddas Ansehen der Chemie in der Bevölkerung zuheben.Grundlagenforschung und angewandte Forschunghöchster Qualität sind unser Ziel. Die amInstitut für Chemie angesiedelten ForschungsschwerpunkteBiokatalyse, Nachwachsende Rohstoffe,Polysaccharidinitiative, Strukturbiologie, Umwelt-und Spurenanalytik und weiche kondensierteMaterie decken ein breites Spektrum der Chemieab und qualifizieren das Institut für Chemie als kompetentenPartner für interdisziplinäre Fragestellungen.Laufende Auftragsarbeiten, Beratertätigkeitund Kooperationen machen uns zum gefragtenPartner für Öffentlichkeit und Industrie.Das Labor an der KFUG ist für experimentelleUntersuchungen in den genannten Forschungsschwerpunktenoptimal ausgerüstet. Darüber hinauswerden modernste Algorithmen zur Datenauswertungim Hause entwickelt und gewährleistetsomit die kompetente Interpretation der Daten.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005235

I6: Institut für Chemie, KFU GrazDas IfC ist in das Kooperationsprojekt NAWIGraz, welches zu einer in Österreich einzigartigenstrategischen Partnerschaft zwischen der UniversitätGraz und der Technischen Universität Grazführen wird, integriert.Das Institut für Chemie ist in dem von der NaturwissenschaftlichenFakultät der Universität Graz imWintersemester 2002/2003 eingerichteten „Centerfür Nanostrukturforschung und Nanoanalytik“(CNNA), gemeinsam mit dem Institut für Physik derUniversität Graz, vertreten. Außerdem unterhält dasIfC enge Kooperationen mit anderen steirischenForschungseinrichtungen sowie der Industrie undist intensiv am Aufbau der steirischen NanotechnologieinitiativeNANONET-Styria und an dessenLeitprojekt „Nanoanalytik“ beteiligt. Seit vielen Jahrenwerden am IfC Geräte für die Nanoanalytikentwickelt.Otto GlatterKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für ChemieKontaktKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für ChemieHeinrichstrasse 288010 Graz, AustriaTel. +43 316 380 -54 10Fax +43 316 380 -98 50sekretariat.IfC@uni-graz.atwww.kfunigraz.ac.at /chewww/chemie.htmlphyschem.kfunigraz.ac.at /smInstitutsleiter:Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Otto GlatterMethoden:M4 | M35 | M36M40 | M45Lösungen: —Institute: —Kontakte:K9DLS | Dynamische Lichtstreuung | Röntgenkleinwinkelstreuung | RöntgenweitwinkelstreuungSAXS | Streumethoden | WAXS236Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InstitutionenI7: Institut für Chemische Prozessentwicklung und -kontrolle, JRI7: Das Institut für ChemischeProzessentwicklungund -kontrolle derJOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHLeitbildDas Institut ist ein flexibler und zuverlässigerForschungspartner für Industrie und Gewerbe undbietet kundenorientierte Lösungen von Entwicklungsaufgabenauf einem hohen technologischenNiveau in zwei Bereichen:Grenzflächenprozesse undProzessentwicklungSensorik und ProzessüberwachungDie umfassende Problemlösungskapazität wirddurch ausgedehnte nationale und internationaleKontakte und Kooperationen erweitert.Das Institut steht für:Technologietransfer – Entwicklungen für dieIndustrie in den Bereichen (optochemische)Sensorik und GrenzflächenprozesseSystementwicklung neuer Sensortechnologienfür Anwendungen in der Humantechnologieund Prozessüberwachung (umfassendeEntwicklungskompetenz in Optik, Elektronik,Chemie, Physik)Systementwicklung von Grenzflächenprozessenim Bereich Humantechnologie, Materialentwicklungund NanotechnologieEntwicklung ressourcenschonender chemischer/physikalischerProzesseForschungsschwerpunkteDas Institut befasst sich intensiv mit zwei Themengebieten,die auch miteinander vernetzt sind:der Untersuchung von Prozessen an der Fest/Flüssig-Grenzflächeund der Entwicklung von Sensorsystemenzur kontinuierlichen Erfassung chemischerParameter. Das Institut ist ein anerkannterTechnologieträger in diesen zwei Bereichen, dieauch die entsprechenden Forschungsschwerpunktebilden:Grenzflächenprozesse undProzessentwicklungSensorik und ProzessüberwachungDie Forschungsschwerpunkte entsprechenden von der EU und dem Österreichischen Ratfür Forschung und Technologieentwicklung definiertenSchwerpunktbereichen und sind in nationaleund internationale Programme integriert. DerForschungsschwerpunkt „Grenzflächenprozesseund Prozessentwicklung“ ist mit seinen technologischorientierten Projekten eingebunden in dieProgrammlinie „Fabrik der Zukunft“ (Nutzung nachwachsenderRohstoffe für technisch hochwertigeMaterialien), in EUREKA-Projekte und in die ÖsterreichischeNANO Initiative.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005237

I7: Institut für Chemische Prozessentwicklung und -kontrolle, JRDer Forschungsschwerpunkt „Sensorik undProzessüberwachung“ ist mit EU-, bilateralen undnationalen Projekten in die Entwicklung von Systemenzur Umweltüberwachung eingebunden;Forschungsaktivitäten zur kontinuierlichen Überwachungtechnologischer Prozesse und im BereichSicherheitstechnologie werden konsequentweiterverfolgt.Die technologischen Kernkompetenzen umfassenoptochemische, spektroskopische undoptische Verfahren, zu deren VerwirklichungGrenzflächenprozesse und Nanotechnologien vonBedeutung sind.Das Institut hat umfangreiche nationale und internationaleKontakte und Kooperationen, die zurBildung von Kompetenzfeldern führen und denAuftraggeberInnen eine verbesserte Problemlösungskapazitätbieten.Grenzflächenprozesse und ProzessentwicklungDas Institut hat umfassende Kenntnisse inGrenzflächenprozessen (interface processes/surfaceprocesses), die vom Makro- bis zum Nanomaßstabreichen und große Bereiche industriellerwie auch biologisch/medizinischer Prozesse umfassen.Die konkreten Forschungs- und Entwicklungstätigkeitenorientieren sich am Bedarf der Industrieund an den in Österreich und der EU definiertenSchwerpunktbereichen:Entwicklung von Nano-Beschichtungsmaterialienfür technologische Anwendungen.Oberflächenveredelung humantechnischer/medizinischer Systeme und Entwicklung vonBeschichtungen für eine kontinuierliche Wirkstoff-Freisetzung.Entwicklung definierter Oberflächenarchitekturenfür organisch-elektronische Bausteineund für die Sensorik.Entwicklung produktionsintegrierter Trennverfahren,besonders von Membrantrennverfahrenfür Prozesswässer zum Einsatz in derLebensmittelindustrie sowie metallver- und-bearbeitenden Industrie.Sensorik und ProzessüberwachungDas Institut hat umfangreiche Kenntnisse in deroptochemischen Sensorik und anderen sensorischenMethoden zur Überwachung technologischerund biologischer Prozesse. Schwerpunktist ein optochemisches Gesamtsystem, das zurMessung von Sauerstoff in der Gasphase und in derflüssigen Phase entwickelt wurde. Zurzeit ist diesesSystem in der industriellen Umsetzungsphase, unddarauf aufbauend werden Methoden für andereAnalyte entwickelt werden.Die konkreten Forschungs- und Entwicklungstätigkeitenorientieren sich am Bedarf der Industrieund der Öffentlichkeit, besonders was die Aspektezur medizinischen Überwachung und zur Sicherheitstechnologiebetrifft:Umsetzung der vorhandenen optochemischenSensortechnologie für Sauerstoff in der Lebensmittelüberwachungund ProzesskontrolleEntwicklung neuer Sensorsysteme für CO 2 ,NH 3 und andere AnalytenEntwicklung eines Sensorsystems für diekontinuierliche Überwachung von Luft undWasser in Ballungsräumen238Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I7: Institut für Chemische Prozessentwicklung und -kontrolle, JREntwicklung eines Sensorsystems für dieErfassung metabolischer Vorgänge bei IntensivpatientenAufbau eines neuen Sensorprinzips fürbiochemische Analyte, das hohe Selektivitätaufweist.Spezifische Forschungsaktivitätenim Bereich NanoErstellung stabiler Dispersionen vonNano-PartikelnCharakterisierung von Nano-Partikeln(Größe, Oberflächenladung)Abscheidung von Nano-Partikeln an Grenzflächenund Integration von Nano-Partikelnin Polymermaterialien zur Erzeugung neuermechanischer, optischer und chemischerEigenschaften.Aufbau definierter Schicht-Architekturenim Nano-Maßstab unter Einsatz von Nano-Partikeln und Polyelektrolyten.Neben einer Reihe klassischer Methoden zurCharakterisierung ist die Messung der Oberflächenladungund des Zeta-Potenzials eine wesentlicheInformation zum Verständnis der Stabilität undWechselwirkung von Nano-Systemen untereinanderund mit makroskopischen Grenzflächen.Volker RibitschJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHInstitut für Chemische Prozessentwicklungund -kontrolleKontaktJOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHInstitut für Chemische Prozessentwicklungund –kontrolleSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 876-12 20Fax +43 316 876-12 30cpk@joanneum.atwww.joanneum.at /cpkInstitutsleiter: Ao. Univ.-Prof. Dr. Volker RibitschMethoden:Lösungen:M45L12Institute: —Kontakte:Adsorption | Beschichtungen | chemische Prozesse | Dispersionen | DünnschichtenElektrokinetik | Elektrophorese | Fasern | Faseroptik | Grenzflächen | Kolloide | MembranenNanopartikel | Oberflächen | Oberflächenladung | Oberflächenmodifikation | Pigmente | PolymereProzesskontrolle | Sauerstoff-Messung | Self-Assembly | Sensoren | Sensorik, optochemischeTenside | Zeta-PotenzialK39Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005239

InstitutionenI8: Institut für Festkörperphysik, TU GrazI8: Das Institut für Festkörperphysikder TechnischenUniversität GrazDas Institut für Festkörperphysik der TechnischenUniversität Graz befasst sich mit festkörperphysikalischensowie Oberflächen- und Bauelement-spezifischenFragestellungen im Zusammenhang mitneuartigen mikro- und nanoskaligen Materialien.Im Rahmen der Arbeiten im Bereich der oberflächenphysikalischenCharakterisierungsmethodenkommen Auger- und Photoelektronen-Spektroskopiesowie Elektronenbeugung und Infrarot-Spektroskopiezur Anwendung. Diese Methoden werdenvor allem für das Studium der Wechselwirkung voneinfachen anorganischen und organischen Molekülenmit metallischen Oberflächen eingesetzt.Für oberflächenphysikalische Untersuchungen mitlateraler Auflösung stehen ein Rastertunnelmikroskopund ein analytisches Feldionen-Mikroskop zurVerfügung.Die Forschungsaktivitäten im Bereich organischeHalbleiter am Institut für Festkörperphysikumfassen die strukturelle, elektronische und optischeCharakterisierung von konjugierten organischenMaterialien (d.h. organischen Halbleitern)und deren Einsatz in elektronischen und optoelektronischenBauelementen wie Licht emittierendenDünnschichtbauelementen und Solarzellen.Ein Großteil der Eigenschaften organischerDünnfilme wie Ladungstransport und Effizienz derLichtausbeute werden u.a. durch die Anordnungder Moleküle im Festkörper sowie durch die darausentstehenden Wechselwirkungen bestimmt, alsodurch die Ordnung der Moleküle in der Dimensionihrer Größe im Nanometer-Bereich. BesonderesAugenmerk in der derzeitigen Forschung wird daherauf das Wachstum sowie auf Struktur- undEigenschaftsoptimierung dünner Schichten organischerOligomere und Polymere auf verschiedenenSubstraten gelegt. Dabei sollen Ordnungs- undSelbstorganisationseffekte im Nanometerbereichausgenützt werden, um die gewünschten Texturenzu erzielen, sowie Ladungstransport, Exzitonenbildung(z.B. in organischen Quantum-Well-Strukturen) und die Emissions-Quantenausbeutezu optimieren. Diese Arbeiten bilden die Grundlagezur Realisierung von neuen optischen und elektronischenStrukturen und Bauelementen.Eine gezielte Optimierung der Materialeigenschaftenerfordert eine genaue Kenntnis der strukturellen,elektronischen und optischen Eigenschaftender untersuchten Materialien. Dies erreicht dasInstitut für Festkörperphysik durch die Kombinationverschiedener spektroskopischer und diffraktometrischerMethoden in Verbindung mit quantenchemischenSimulations-Rechnungen und durch intensiveZusammenarbeit mit zahlreichen nationalen undinternationalen Kooperationspartnern.240Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I8: Institut für Festkörperphysik, TU GrazLaufende ProjekteChristian-Doppler-Labor „Advanced FunctionalMaterials“SFB „Elektroaktive Stoffe“RTN-Network EUROFETFWF-Clusterprojekt („Growth of organic molecules“)WissenschaftlicheKooperationspartnerNationalInstitut für Chemische Technologie OrganischerStoffe, Technische Universität GrazInstitut für Theoretische Physik, Karl-Franzens-UniversitätGrazInstitut für Experimentalphysik, TechnischeUniversität GrazInstitut für Biophysik und Röntgenstrukturforschung,Österreichische Akademie derWissenschaftenForschungsinstitut für Elektronenmikroskopieund Feinstrukturforschung, TechnischeUniversität GrazInstitut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität GrazErich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft,Österreichische Akademie der WissenschaftenInstitut für Halbleiter- und Festkörperphysik,Johannes-Kepler-Universität LinzInstitut für Physikalische Chemie, Johannes-Kepler-Universität LinzInternationalMax-Planck-Institut für Polymerforschung,Mainz, DeutschlandUniversity of Florida, Dpt. Organic Chemistry,Gainesville, USAUS-DOE-Ames Laboratory, Iowa State University,Ames, USADipartimento di Fisica, Politecnico di Milano,Mailand, ItalienCenter for Research in Molecular Electronicsand Photonics, University of Mons-Hainaut,BelgienInstitut für Festkörper- und Werkstoffforschung,Dresden, DeutschlandInstitute for Chemistry, Chinese Academy ofScience, Peking, ChinaInstitut Charles Sadron, Strasbourg,FrankreichNational Institute for Industrial Science andTechnology, Tsukuba, JapanFirmenAnton Paar GmbHAT&S AGLUMITECH Produktion und EntwicklungGmbHHartmut KahlertTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005241

I8: Institut für Festkörperphysik, TU GrazKontaktTechnische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikPetersgasse 168010 Graz, AustriaTel. +43 316 873-84 61Fax +43 316 873-84 66kahlert@tugraz.atwww.if.tugraz.atInstitutsleiter: O.Univ.-Prof. Dr. Hartmut KahlertMethoden:Lösungen:M1 | M3 | M7 | M20M31 | M32 | M34 | M35M36 | M37 | M41L8 | L13 | L25 | L32L38 | L40 | L42Institute: —Kontakte:K17Elektronik, Organische | Halbleiter, organische | Oberflächenphysik242Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InstitutionenI9: Das Institut für Materialphysikder Technischen UniversitätGrazI9: Institut für Materialphysik, TU GrazDas Institut für Materialphysik der TechnischenUniversität Graz befasst sich mit grundlagen- undanwendungsorientierter Materialforschung mit denSchwerpunkten Nanostrukturierte Funktionsmaterialiensowie Physik atomarer Fehlstellen. NanokristallineMaterialien (Metalle, Oxide, Komposite) werdenam Institut insbesondere über Clusterroutenhergestellt und im Hinblick auf Funktionseigenschaften,wie beispielsweise durchstimmbareelektronische Eigenschaften, untersucht. Untersuchungender atomaren Diffusion in Grenzflächennanokristalliner Materialien zielen auf dasVerständnis von anwendungsrelevanten Eigenschaftendieser Materialien, wie erhöhte Duktilität,schnelle Ionenleitung oder diffusionsinduziertemagnetische Anisotropie. Arbeiten zur Fehlstellenphysikbefassen sich mit Untersuchungen vonLeerstellen in Halbleitern und Legierungen sowievon freien Volumen in ungeordneten Materialienmit der hochspezifischen Methode der Positronenzerstrahlung(Positronenannihilation). Zusätzlichwerden am Institut Aspekte des Strahlenschutzesund der Medizintechnik bearbeitet.Aktivitäten des Institutes im BereichNanoanalytikA) Röntgenbeugung nanokristallinerMaterialien zur Bestimmung von Kristallitgrößen,Mikroverzerrungen (Microstrain) undplanaren Defekten (Stapelfehler, Zwillinge).Diese Methode wird am Institut insbesonderezur Untersuchung nanokristalliner Metalle, Legierungenund Oxide eingesetzt. Hierfür stehtein Pulverdiffraktometer Bruker D8 Advancemit Sekundärmonochromator und Szintillationszählerzur Verfügung.B) Positronenzerstrahlung zum Nachweis undzur Charakterisierung der lokalen chemischenUmgebung von Gitterleerstellen, subnanoskaligenPoren sowie strukturellen freienGrenzflächenvolumen in nanostrukturiertenMaterialien.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005243

I9: Institut für Materialphysik, TU GrazDiese Methode wird am Institut insbesonderezur Untersuchung von Grenzflächen in nanokristallinenMetallen und Legierungen, zum chemischempfindlichen Nachweis von Leerstellen in Legierungenund Verbindungshalbleitern sowie zur Untersuchungfreier Volumen in Polymeren eingesetzt.Für die Untersuchungen stehen moderne Positronlebensdauerspektrometermit hoher Zeitauflösungsowie hochauflösende Spektrometer zur ein- undzweidimensionalen Messung der Dopplerverbreiterungder Positron-Elektron-Annihilationsstrahlungzur Verfügung.Roland WürschumTechnische Universität GrazInstitut für MaterialphysikKontaktTechnische Universität GrazInstitut für MaterialphysikPetersgasse 168010 Graz, AustriaTel +43 316 873-84 81Fax +43 316 873-89 80imp@tugraz.atwww.imp.tugraz.atwww.imp.tugraz.at/AG_Nanostrukturierte_Materialien.htmInstitutsleiter: Univ.-Prof. Dr. Roland WürschumMethoden:Lösungen:M25 | M33L3Institute: —Kontakte:K51Defekte, atomare | Materialphysik | nanokristalline Materialien | PositronenannihilationRöntgenbeugung/diffraktion244Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InstitutionenI10: Das Institut fürNanostrukturierteMaterialien und Photonikder JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHI10: Institut für Nanostrukturierte Materialien und Photonik, JRDas Institut für Nanostrukturierte Materialien undPhotonik liefert mit dem Design und der Herstellungneuartiger optoelektronischer und photonischerBauelemente und Systeme die Grundlagen für dieständig wachsende Palette technischer Anwendungenvon innovativen nanostrukturierten Materialien.Durch enge Kooperation mit der Industrie werdenUnternehmen aktiv bei der Einführung neuer Technologienunterstützt – von der Materialanalyse und-charakterisierung über Aufbringung und Strukturierung,die Herstellung von Labormustern, dieEntwicklung von Fertigungsprozessen bis hin zurIntegration in bestehende Produktionsanlagen.AngebotUntersuchung und Fehleranalyse vonMaterialien, Werkstoffen und ProduktenAnalytik, Charakterisierung und Strukturierungvon Materialien und WerkstoffenEntwicklung neuartiger Methoden und Prozessefür die Herstellung optoelektronischerBauelemente, einschließlich 3D-StrukturierungBeratung von Firmen und ForschungseinrichtungenKompetenzDas Institut für Nanostrukturierte Materialien undPhotonik bietet eine einzigartige Methodenvielfaltzur Analytik, Charakterisierung und Strukturierungvon Materialien. Im Know-how unserer Expertenverbinden sich Erkenntnisse aus der universitärenund außeruniversitären Spitzenforschung mitlangjähriger Erfahrung in der Auftragsforschung füreinheimische Unternehmen und Industriepartneraus Fernost. Die Palette der erfolgreichen Kooperationenund Forschungsprojekte reicht dabei vonder Optoelektronik bis zur Metallverarbeitung.VorteileAlle Dienstleistungen von der Analyse bis zurStrukturierung unter einem DachBreite Palette unterschiedlichster Analysemethodenvom Makrobereich bis zur molekularen/atomaren EbeneVerbesserte Marktchancen durch fundiertewissenschaftliche Unterstützung in der Entwicklungneuer, intelligenter ProdukteIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005245

I10: Institut für Nanostrukturierte Materialien und Photonik, JRMethodenDie hochmoderne Geräteausstattung auf insgesamt300m 2 Laborfläche und ein Reinraum derReinheitsklasse 100 (Klasse 5 gemäß ISO 14644)ermöglichen eine breite Palette von Analysen nachhöchsten industriellen Qualitätsstandards.Analyse & CharakterisierungRastersondentechnikenRöntgen- und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie(XPS/UPS)Rasterkraftmikroskopie (AFM) undProfilometrieRasterelektronenmikroskopie (REM)Rastertunnelmikroskopie (STM)Optische MethodenSpektroskopische Ellipsometrie (VASE)UV-VIS-NIR-SpektrophotometrieUV-VIS-NIR-FluoreszenzspektrometrieStereo- und Auflicht-/Durchlichtmikroskopiemit PolarisationseinheitOptische SimulationAufbringung & StrukturierungPhotolithographie mit Nasschemiebank,MaskenbelichterElektronenstrahllithographieReaktives Ionenätzen (Halogengase,Inertgase, Sauerstoff) für organischeund anorganische MaterialienBeschichtungsanlagen im Hochvakuum- undUltrahochvakuumbereich für organische undanorganische Materialien (thermisch, Elektronenstrahlverdampfer,RF-Sputtern)Spincoating mit AutodispenssystemNanoimprint-Lithographie (Hot Embossingund UV-Imprinting)3D-Lasermikrostrukturierung photosensitiverPolymermaterialien auf Basis von ZweiphotonenabsorptionElektrische Methoden und GeräteSpitzenmessplatz mit 2 ParameteranalysatorenInduktivitäts-, Kapazitäts- und WiderstandsmessungenStrom-Spannungsmessungen mit Picoamperemeter,ElektrometerPhotostrommessanlage mit Lock-in-VerstärkerMessung raumladungsbegrenzter Ströme(SCLC)Werner Rom, Günther LeisingJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialien und Photonik246Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I10: Institut für Nanostrukturierte Materialien und Photonik, JRKontaktJOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialienund PhotonikFranz-Pichler-Straße 308160 Weiz, AustriaTel. +43 316 876-27 00Fax: +43 316 876-27 10nmp@joanneum.atwww.joanneum.at /nmpInstitutsleiter: Ao. Univ.-Prof. Dr. Günther LeisingMethoden:Lösungen:M9 | M27 | M28M29 | M31L2 | L5 | L43Institute: —Kontakte:Beratung | Elektronik, Organische | Fehleranalyse | Integration | nanostrukturierte MaterialienProzessunterstützungK28Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005247

InstitutionenI11: Institut für Physik, Bereich Experimentalphysik, KFU GrazI11: Das Institut für Physik,Bereich Experimentalphysik,der Karl-Franzens-UniversitätGrazDer Bereich Experimentalphysik des Instituts fürPhysik der Karl-Franzens-Universität Graz umfasstnachfolgende Bereiche:Oberflächen- und GrenzflächenphysikOptik und Lasertechnik /NanooptikMagnetometrie und PhotonikOptik und Lasertechnik /SensorikRamanspektroskopieForschungsschwerpunkt „Nanowissenschaften aufOberflächen“ eingebracht. Die Forschungsgruppeist auch Mitglied eines Europäischen Netzwerks,welche das Wachstum und die Supraorganisationvon Übergangs- und Edelmetall-Nanoclusternuntersucht. Die Arbeiten werden häufig anden europäischen Synchrotron-StrahlungsquellenMAX II (Schweden), ELLETRA (Italien) und BESSY II(Deutschland) durchgeführt.Die Abteilung „Oberflächen- und Grenzflächenphysik“ist an zahlreichen Projekten an derSchnittstelle internationaler Bestrebungen in denNanowissenschaften beteiligt. Sie zählt zu deninternational führenden Gruppen in der atomarauflösenden Rastersondenmikroskopie und denauf Synchrotronstrahlung basierenden elektronenspektroskopischenVerfahren zur Untersuchungorganischer wie anorganischer Nanostrukturen.Die Gruppe koordinierte bis 2003 den Forschungsschwerpunkt„Gas-Oberflächen-Wechselwirkungen“des Österreichischen Fonds zur Förderungder wissenschaftlichen Forschung (FWF). DiesesProjekt vereinigte die hauptbeteiligten Gruppen Österreichsaus den Bereichen der Oberflächenphysikund -chemie. Schon in den 8 Jahren davor wardie Gruppe führend am Spezialforschungsbereich(SFB) „Elektroaktive Materialien“ des FWF beteiligt,welcher sich die Untersuchung der Grenzschichtenund molekularen Architektur organischer Halbleiterzur Aufgabe stellte. Seit 2003/2004 wurde unterder Koordination von Prof. Dr. F. Netzer ein neuerDie Abteilung „Optik und Lasertechnik /Nanooptik“unter der ehemaligen Leitung von Prof. Dr.F. Aussenegg setzt eine lange Tradition des Institutsin der Optik-Forschung fort. So wurde der ersteRubin-Laser Österreichs nach Erfindung des Lasersüberhaupt im Jahre 1964 an diesem Institutgebaut. Nach Forschungen auf dem Gebiet ultrakurzerLaserimpulse, der Raman- und Fluoreszenzspektroskopiefokussierte sich die Gruppe auf dasGebiet der Nanoplasmonics, wo versucht wird mitHilfe einer Subwellenlängenoptik die Verbindungder Optik mit der Festkörperelektronik herzustellen.Einer der Mitarbeiter aus dieser Gruppe (Dr.Leitner) baute das erste Rastertunnelmikroskop inÖsterreich. Mit der Anwerbung des EuropäischenNetworks of Excellence „Plasmo-Nano-Devices“und eines EU-Projekts „Surface Plasmon Photonics“unter der Leitung von Dr. J. Krenn erlangtedie Gruppe internationale Reputation, wodurch imJahre 2005 die Internationale Konferenz „SurfacePlasmon Photonics 2“ nach Graz gebracht werdenkonnte. Aus der ursprünglichen Optikgruppe hatte248Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I11: Institut für Physik, Bereich Experimentalphysik, KFU Grazsich die Arbeitsgruppe „Optik und Lasertechnik /Sensorik“ (Dr. Lippitsch) abgespalten, welche sichmit Fluoreszenzsensoren und deren Anwendungenin der Biologie befasst.Die Abteilung „Magnetometrie und Photonik“wurde im Zuge der Neuberufung von Prof. H. Krennim Jahre 2001 etabliert. Sie ergänzt die existierendenAbteilungen und Arbeitsgruppen durchForschung auf Gebieten, die zwischen Grenzflächenphysik,Optik und Festkörperphysik angesiedeltsind. Insbesondere in der Festkörperphysikherrschte großer Nachholbedarf, obwohl die Arbeitsgruppen„Experimentelle Halbleiterphysik“ (Dr.Feichtinger, Dr. Czaputa) und „Festkörperspektroskopie“(Dr. Knoll) immer wieder hervorragendeForschungsarbeiten auf dem Gebiet der Silizium-Halbleiterphysik, der Supraleitung, Elektronenspinresonanzund Ramanspektroskopie hervorgebrachthaben und auch weiter erbringen. Durch die Einführungder SQUID-Magnetometrie und der FTIR-Spektroskopie bei tiefen Temperaturen und hohenMagnetfeldern eröffnete sich das neue Feld desNanomagnetismus und der Magneto-Optik, mitteilweise in Österreich einzigartigen Messmöglichkeitenin der magnetischen Nanoanalytik. So wurdeauch die Infrastruktur für Experimente mit flüssigemHelium geschaffen, die bis zu diesem Zeitpunkt andieser Universität nicht verfügbar war. Die schonvorher bestehende Arbeitsgruppe „Laser-Opto-Akustik“ (Dr. Paltauf) zeichnet sich durch hoheKompetenz auf dem Gebiet der lichtinduziertenErzeugung und Detektion von akustischen Pulsenin biologischem Gewebe und in Festkörpernaus. Sie ist mit außeruniversitären Institutionen anpraxisrelevanten Projekten wie optoakustischerTomographie und Ultraschall-Bildrekonstruktionbeteiligt. Diese Gruppe wird ihre Expertise auchin den Forschungsbereich Nanomagnetismuseinbringen, da die Methode der Magnetoakustikergänzende Informationen zu den magnetischenEigenschaften und Phasenübergängen in Nanostrukturenliefern kann.Aus den langjährigen Forschungsarbeiten entwickeltensich auch Spin-Off Projekte, wie die imJahre 1990 erfolgte Gründung des Erwin SchrödingerInstituts für Nanostrukturforschung (unterLeitung von Prof. F. Aussenegg) mit hoher F&E-Kompetenz auf dem Gebiet der industrienahen Mikro-und Nanooptik und optischen Sensorik. UnterFührung des (vormalig so benannten) Instituts fürExperimentalphysik wurde im Juni 2002 ein virtuellesZentrum für Nanostrukturforschung gegründet,das die gemeinsamen Forschungsanstrengungenauf dem Gebiet der Nanostrukturen fakultätsweitfokussieren soll. Dieses Zentrum hatte bis zu einemgewissen Grad Vorbildfunktion für die 2005 gestarteteforschungsstrategische Kooperation der NaturwissenschaftlichenFakultäten beider Universitäten(KFU, TU Graz) im sog. „NAWI-Graz“-Projekt.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005249

I11: Institut für Physik, Bereich Experimentalphysik, KFU GrazSQUID-MagnetometrieSpezifikationenTyp / Modell:MPMS-XL-7Hersteller:Quantum Design,USAMagnetfeldbereich: ± 7 Tesla in 2 x 10 -4 TSchrittenTemperaturbereich: 1,9 – 350 K in 0,1 KSchrittenProbenraum:9 mm DurchmesserProbengeometrie:liegend/stehendProbengröße: typisch 3 x 3 x 9 mm 3Auflösung desmagnetischen 5 x 10 -9 emu =Moments: 5 x 10 -12 Am 2OptionenHysterese (±7 T) bei fester Temperatur.DC-Suszeptibilität (0-7 T, 10 -12 – 20 emu)AC-Suszeptibilität (5 x 10 -4 T; 0,001 Hz – 1 kHz)Ultra-Low-Field-Option: Restfeld 1 mG (= 10 -7 T)Faseroptischer Probenhalter mit Quarzfaser für optomagnetischeExperimenteAuger-Elektronenspektroskopie(AES)SpezifikationenElektronenquelle:Laterale Auflösung:Energieanalysator:Nachweisgrenze:Informationstiefe:Ionenkanone:ProbenanforderungenBeschleunigungs-spannung bis10 keVStrahldurchmesser≥10 nmCMA (CylindricalMirror Analyser),CHA (ConcentricHemisphericalAnalyser)Die Probe sollte vakuumverträglich sein0,1 Atomprozent(alle Elementeaußer H, He)1-10 AtomlagenAr + , 1– 5 keVProbengröße ca. 15 x 10 > XxY > 2 x 2 mm 2Typische Messzeiten 2–24 h250Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I11: Institut für Physik, Bereich Experimentalphysik, KFU GrazPhotoelektronenspektroskopie(XPS / UPS)SpezifikationenRöntgenquelle:UV-Quelle:Energieanalysator:Nachweisgrenze:Informationstiefe:ProbenanforderungenMg-K α (1253,6 eV)oderAl-K α (1486,6 eV)StrahlungHe-I (21,21 eV) oderHe-II (40,82 eV)StrahlungHemisphärischerElektronen-analysatorDie Probe sollte vakuumverträglich sein0,1 Atomprozent1–10 AtomlagenProbengröße ca. 15 x 10 > XxY > 5 x 5 mm 2Heinz KrennKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich ExperimentalphysikKontaktKarl-Franzens-Universität GrazInstitut für PhysikBereich ExperimentalphysikUniversitätsplatz 58010 Graz, AustriaTel. +43 316 380 -85 55Fax +43 316 380 -98 16heinz.krenn@uni-graz.atwww.kfunigraz.ac.at /expwwwMethoden:Lösungen:M3 | M7 | M16 | M24M28 | M31 | M32L1 | L6 | L16 | L23L37 | L41Institute: —Kontakte:Festkörperspektroskopie | Grenzflächenphysik | Halbleiterphysik | Laser-Opto-AkustikLasertechnik | Magnetometrie | Nanooptik | Nanostrukturforschung | Oberflächenphysik | OptikPhotonik | Raman-Spektroskopie | SensorikInstitutsleiter: Univ.-Prof. Dr. Heinz KrennK22Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005251

InstitutionenI12: Institut für Physik, Montanuniversität LeobenI12: Das Institut für Physikder MontanuniversitätLeobenNanoanalytische Methoden desInstituts für PhysikRastersondentechnikenAFM, C-AFM (Abb. 1), STM, Oberflächen-Rauigkeit,Selbstorganisation von Nanostrukturen aufHalbleiteroberflächen, Charakterisierung von Nanomagnetenund dielektrischen Dünnschichten.Die Aktivitäten der RastersondenmikroskopiegruppeLeoben (Leitung: Ao. Univ.-Prof. Dr. ChristianTeichert) sind auf die Untersuchung der Morphologiesowie der elektrischen, magnetischen und tribologischenEigenschaften von Festkörperoberflächenauf der Nanometerskala ausgerichtet. Der Gruppegehören derzeit ein Postdoc, zwei Doktoranden sowiedrei Diplomanden der Fachrichtung Werkstoffwissenschaftenan. Für die Untersuchungen stehenAbbildung 1:Ultrahochvakuumanlage mit AFM/C-AFM sowie Probenpräparationskammer(Ionenbeschuss, Probenheizung,Bedampfung).insgesamt drei Rastersondenmikroskope mit zumTeil eigenen methodischen Weiterentwicklungen zurVerfügung. Zwei Geräte (DI MultiMode und AsylumResearch MFP-3) arbeiten unter Umgebungsbedingungenbzw. in Flüssigkeiten, ein drittes Gerät(Omicron-Raumtemperatur-AFM /STM) operiertim Ultrahochvakuum. Zur Bewertung des Zusammenhangszwischen Oberflächenmorphologie undmakroskopischen Benetzungseigenschaften stehtaußerdem ein modernes Kontaktwinkelmessgerätzur Verfügung.Ein Forschungsschwerpunkt ist die Erkundungder spontanen Selbstorganisation beim Wachstumkristalliner, anorganischer und organischer Halbleiterschichtenbzw. bei der Ionenstrahl-induziertenOberflächenmodifikation. Die so erzeugten nanostrukturiertenOberflächen werden als Templates(„Vorlagen“ oder „Schablonen“) für magnetischeund biologische Materialien eingesetzt. Zur Untersuchungder elektrischen Eigenschaften dünnerdielektrischer Schichten auf der Nanometerskalawurde die Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopieentwickelt. In Kooperation mit anderen Institutender Montanuniversität, aber auch nationalen undinternationalen universitären und außeruniversitärenForschungseinrichtungen werden des Weiterenquantitative Rauigkeitscharakterisierungen verschiedensterFestkörperoberflächen durchgeführt,die das Materialspektrum von Eisenbahnschienenbis zu Zellulosefasern abdecken.252Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I12: Institut für Physik, Montanuniversität LeobenWeitere Arbeitsgebiete desInstituts für PhysikElektrischer Transport – ExperimentElektrische Leitfähigkeit, DC- und Mikrowellen-Transport (Halbleiter, Quanten-Dots), Hoch-Magnetfeld-Transport(Quanten-Halleffekt), Tieftemperatur-und temperaturabhängiger Transport vonHalbleitern, Halbleiter-Nanostrukturen und Halbleiter-Schichtstrukturen,Hot-Wall-EpitaxieElektrischer Transport – SimulationNumerische Simulation des Stromtransportsin dünnen Schichten und Simulation des Quanten-Hall-Effektsmittels eines selbst entwickeltenNetzwerkmodells. Damit soll die Simulation vonrein quantisierter elektrischer Stromleitung bis hinzur klassischen Stromleitung innerhalb eines Modellsermöglicht werden. Klassische Simulationder Elektronen-Trajektorien in Quantenpunkten,Untersuchung der Bedingungen für reguläres undchaotisches Verhalten.Optik / PhotonikPhotonische Kristalle für Untersuchungen undAnwendungen im Mikrowellen-Gebiet. Resultateskalierbar in andere Wellenlängenbereiche, z.B. fürnahes Infrarot und Submikrometer-Dimensionen.Spektroskopische Untersuchungen von Werkstoffender Elektronik im Infrarot mittels Fourier-Spektroskopie. Einsetzbar für spektroskopischeUntersuchungen an Arrays von Nanostrukturen.KontaktMontanuniversität LeobenInstitut für PhysikFriedemar Kuchar, Christian TeichertMontanuniversität LeobenFranz-Josef-Straße 18, A-8700 LeobenTel. +43 3842 402-46 01Fax +43 3842 402-46 02physics@unileoben.ac.atInstitut für Physikwww.unileoben.ac.at /institute /phywww.htmInstitutsleiter: O. Univ.-Prof. Dr. Friedemar KucharMethoden:Lösungen:M19 | M28 | M31L26Institute: —Kontakte:Dünnschichten, dielektrische | Elektronen-Quanten-Transport | Halbleiter | IR-SpektroskopieMikrowellen-Spektroskopie | Nanomagnetismus | Nanostrukturen, elektronischeNumerische Simulation des Elektronentransports | Oberflächen-Nanostrukturen | Photonische KristalleQuanten-Halleffekt | Quanten-Punkte | RastersondenmikroskopieK23Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005253

InstitutionenI13: Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, TU GrazI13: Das Institut fürPhysikalische undTheoretische Chemie derTechnischen Universität GrazForschungseinrichtungen amInstitutArbeitsgruppe „Spektroskopie und chemischeKinetik“ (G. Grampp)Arbeitsgruppe „Molekülstruktur und Reaktivität“(G. Gescheidt)Elektrochemische MethodenDie am Institut verwendeten elektrochemischenMethoden zur Bestimmung der Eigenschaften organischerMoleküle in verschiedensten Lösungsmittelnumfassen:Die Forschungsgruppen am Institut sind im Wesentlichenauf den Gebieten Struktur, chemischeKinetik, Reaktivität, Elektronen- und Ladungsübertragung,dynamische Elektrochemie und EPR /ESR(Electronen Paramagnetic /Spin Resonance)-Spektroskopieund Kernspinresonanz (NMR, CIDNP)angesiedeltDie am Institut vorhandenen experimentellenTechniken bieten vielfältige Möglichkeiten zur Lösungnanotechnologischer Fragestellungen – vorallem im Hinblick auf ihre Funktionalität auf dermolekularen Ebene. Am Institut laufende Projektebefassen sich z.B. mit der Ladungskombinationin Nanoröhren oder der Funktionalität von Katalysatoren.Die zyklische Voltammetrie (CV)Die rotierende ScheibeDie photomodulierte VoltammetrieSiehe auch den entsprechenden Beitrag „M5:Elektrochemische Methoden“.Paramagnetische ResonanzEs werden nachfolgende Methoden im BereichEPR/ESR am Institut verwendet:cw-EPR (continuous wave)zeitaufgelöste EPR (CIDEP, Chemically InducedDynamic Electron Polarisation)Mehrfachresonanz (ENDOR, Electron-NuclearDouble Resonance)Kernspinresonanz (NMR, CIDNP)Siehe auch den entsprechenden Beitrag „M12:EPR-Spektroskopie (ESR-Spektroskopie)“.254Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I13: Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, TU GrazPhotochemische MethodenNeben der kommerziellen photochemischenStandardausrüstung (UV-VIS-NIR-Absorptionsspektrometerund „steady-state“-Fluoreszenzspektrometer)kommen an unserem Institut mehrerefortgeschrittenere (zeitaufgelöste) Arbeitstechnikenzur Anwendung, mit deren Hilfe es möglich ist,den Zeitverlauf photochemischer Reaktionen vomms/µs- (konventionelle Flash-Photolyse) über denns- (LASER-Flash-Photolyse) bis in den ps-Bereich(Zeitaufgelöstes Single-Photon-Counting) zu beobachten.Zusätzlich zu den eben erwähnten Technikenist eine selbst entwickelte Fluoreszenz-Modulationsapparatur(ps-Auflösung) in Anwendung,welche speziell für die Verwendung mit LEDs/LDskonzipiert wurde. Letztere gestattet Messungensowohl über weite spektrale (UV-NIR) als auch zeitliche(ps /ns) Bereiche.Abbildung 1:Schema der LASER-Flash-Photolyse-Apparatur.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005255

I13: Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, TU GrazIm Folgenden sei eine Zusammenstellung dergegenwärtig in Gebrauch befindlichen Geräte gegeben:UV-VIS-NIR-Absorptionsspektrometer und„steady-state“-FluoreszenzspektrometerEntladungslampen-Flash-PhotolyseLASER-Flash-Photolyse (Abb. 1) mit Möglichkeitzur Untersuchung von MagnetfeldeffektenZeitaufgelöstes Single-Photon-CountingFluoreszenzmodulationsapparaturStopped-Flow-ApparaturMARY(Magnetic Field Effect on ReactionYield)-SpektroskopiePhotoleitfähigkeitsmessungenKontaktTechnische Universität GrazInstitut für Physikalische undTheoretische ChemieTechnikerstraße 48010 Graz, AustriaTel. +43 316 873-82 21Fax +43 316 873-82 25hofmeister@ptc.tugraz.atwww.ptc.tugraz.atInstitutsleiter:O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Günther GramppTheoretische MethodenBerechnung molekülspezifischer Eigenschaftenmittels angepasster theoretischer Verfahren basierendauf quantenmechanischen Methoden.Methoden:Lösungen:M5 | M12 | M22L14 | L15Georg Gescheidt, Günter Grampp, Stefan LandgrafTechnische Universität GrazInstitut für Physikalische und Theoretische ChemieInstitute: —Kontakte:K8 | K11Elektrochemie | Elektronenübertragung | Entwicklung optischer Spektrometer auf DiodenbasisKatalyse | magnetische Resonanz | Paramagnetische Spezies | Photochemie | Radikale256Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

InstitutionenI14: Laserzentrum Leoben, JRI14: Das LaserzentrumLeoben (LZL) der JOANNE-UM RESEARCH ForschungsgesellschaftmbHDas Laserzentrum Leoben (LZL) wurde 1989partnerschaftlich von der JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbH und dem Institut fürMetallkunde und Werkstoffprüfung der MontanuniversitätLeoben gegründet. Aufgrund der wissenschaftlichenBasis stand die Entwicklung vonLasermaterialbearbeitungsprozessen mit starkemBezug zur Werkstofftechnik von Beginn an im Vordergrundund beeinflusst bis heute ganz wesentlichdie strategische Ausrichtung des Laserzentrums.Vorrangiges Ziel im Forschungsschwerpunkt„Laserproduktionstechnik 2D(3D)“ ist die Unterstützungheimischer Unternehmen bei der Einführungund Etablierung der Lasermaterialbearbeitung imBereich von Fertigung und Produktion. Seit denersten industriellen Anwendungen der Lasertechnikin den späten 80er Jahren konnte sich diese neueTechnologie in vielen Bereichen der industriellenFertigung bereits etablieren. Am LaserzentrumLeoben macht man sich die Kraft des Laserlichtsvor allem in den Fertigungsschritten Schweißen,Legieren und Beschichten zunutze – hier werdeninnovative Prozesse entwickelt, die völlig neueWerkstoffe, Materialpaarungen, Fertigungs- undKonstruktionslösungen erschließen.Neben fundiertem, werkstoffkundlichem Wissen,gepaart mit langjährigem Know-how in derProzesstechnik und Anlagensteuerung, verfügendie Experten des Laserzentrums auch über dienötige Erfahrung, um die entwickelten Produkteund Prozesse in die Serienfertigung überzuleiten.Vor allem dieser interdisziplinäre Ansatz macht dasLZL zu einem kompetenten Entwicklungspartner,der innovativen Industrieunternehmen Lösungenaus einer Hand bieten kann – von Werkstoffdesignund Produktentwicklung über die Umsetzung inindustrietaugliche Prozesse bis hin zur Fertigungvon Kleinserien und Beratung bei der „Materialbearbeitungmit der Kraft des Lichts“.Im Forschungsschwerpunkt „Laserdünnschichttechnik“besteht eine enge Verknüpfung mit demBereich Nanotechnologie und Nanoanalytik. MitHilfe eines physikalischen Beschichtungsverfahrenswerden amorphe und nanostrukturierte Beschichtungenmit Schichtdicken im Bereich vonwenigen Nanometern bis in den Mikrometerbereichhergestellt. Das Verfahren der Pulsed Laser Deposition(PLD) eignet sich für eine breite Palette vonSchichtwerkstoffen, z.B. Metalle, Oxide, Nitride undKarbide. Der Schichtwerkstoff wird dabei in einerVakuumkammer durch gepulste Laserstrahlen inDampf umgewandelt, der an der Substratoberflächezu einer dünnen Schicht kondensiert. Diehohen Teilchenenergien im erzeugten Dampf führenzu besonders guter Schichthaftung bei niedrigenBeschichtungstemperaturen. Mit einem neu entwickeltenHybridprozess (HybridPLD) können dieVorteile des PLD-Verfahrens mit konventionellenMethoden (gepulstes Magnetronsputtern, Ionenstrahlreinigungund -beschichtung) kombiniertwerden (s. Abb. 1).Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005257

I14: Laserzentrum Leoben, JRDie Beschichtungen eignen sich für zahlreicheAnwendungsgebiete:Verschleißschutz und Korrosionsschutz vonWerkzeugenDekoratives Oberflächen-Finishing, verbundenmit Verschleißschutz und funktionellenoptischen EigenschaftenMetallisierung und Haftschichten für andereBeschichtungsverfahrenBiokompatible Oberflächen für Medizintechnikund ChirurgieFunktionelle Schichten und Sensorschichtenfür Optik, Elektronik und OptoelektronikDie Entwicklung und Herstellung von funktionellennanostrukturierten Beschichtungen erfordertden Einsatz von unterschiedlichen Schichtcharakterisierungsmethodenaus dem Bereich derNano-Analytik. Am Laserzentrum Leoben werdenfolgende Eigenschaften von dünnen Schichtenbestimmt:Schichtdicke &SchichthaftungSchichttopographie &SchichtstrukturChemische ZusammensetzungOptische & elektrische SchichteigenschaftenReibungs- &VerschleißkennwerteNC-gesteuerte Bearbeitungsmaschinen6-Achsen-Bearbeitungsmaschine5-Achsen-Bearbeitungsmaschine mit2,8 m Verfahrweg5-Achs-HSC-Bearbeitungszentrum mit integrierter LaserauftragsschweißeinrichtungForschungsbereich „Laserdünnschichttechnik“Gütegeschaltete Lasersysteme1000 mJ Nd:YAG-Laser (SHG, FHG)(1064 nm, 532 nm, 355 nm)1200 mJ Nd:YAG-Laser (SHG, FHG)(1064 nm, 532 nm)Vakuumbeschichtungsanlagen(PLD, gepulstes DC-Sputtern, Ionenätzen)LaboranlageDemonstrationsanlage (Rezipientendurchmesser 740 mm,Beschichtungshöhe 300 nm)Instrumentelle AusstattungForschungsschwerpunkt„Laserproduktionstechnik“Industrielaser2,5 kW CO 2 -Laser6,0 kW CO 2 -Laser2,5 kW Nd:YAG-Laser4,0 kW DiodenlaserAbbildung 1:Prinzip der HybridPLD-Beschichtung.258Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I14: Laserzentrum Leoben, JRAnalytikLaserstrahldiagnostiksysteme(bis 12 kW Laserleistung)Raman-Spektroskopie-SystemKontaktJOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHLaserzentrum Leoben(Nd:YAG-Laser, 532 nm, 50 mW)PlasmaemissionsspektrometerTransmissions- und ReflexionsmessstandAuflicht- und StereomikroskopKontaktwinkelmesseinrichtungKalotten-SchleifgerätScratch-Test-Prüfeinrichtung entsprechend EN 1071Leobner Straße 948712 Niklasdorf, AustriaTel. +43 3842 812 60 -2304Fax +43 3842 812 60 -23 10 oder -23 30lzl@joanneum.atwww.joanneum.at /lzlLineartribometerKleinlasthärteprüferInstitutsleiter:Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Reinhold EbnerWolfgang Waldhauser, Jürgen M. LacknerJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHMethoden: M23 | M39 | M43Laserzentrum Leoben Lösungen:L18 | L31Institute: —Kontakte:K48Beschichtungen, biokompatible medizintechnische | Beschichtungen, dekorativeBeschichtungen, optische | Beschichtungen, optoelektronische | LaserdünnschichttechnikLaserlegieren | Lasermaterialbearbeitung | Laserproduktionstechnik 2D (3D) | LaserschweißenMagnetsputtern | PLD | Pulsed Laser Deposition | VerschleißschutzIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005259

InstitutionenI15: Materials Center Leoben Forschung GmbHI15: Die MaterialsCenter LeobenForschung GmbH (MCL)ÜbersichtDie Materials Center Leoben Forschung GmbH(MCL) ist eine gemeinnützige, kooperative Forschungseinrichtungauf dem Gebiet der Werkstoffforschungund Werkstofftechnik. Als Eigentümerdes im September 1999 gegründeten Zentrums firmiertvorrangig die Montanuniversität Leoben, desWeiteren die JOANNEUM RESEARCH ForschungsgesellschaftmbH, die Stadtgemeinde Leoben, dieÖsterreichische Akademie der Wissenschaften, dieTechnische Universität Wien sowie die TechnischeUniversität Graz.Thematisch konzentrieren sich die mehr als 60Mitarbeiter des MCL auf die Bereiche (1) Werkstoffentwicklung,(2) Werkstoffherstellung und -verarbeitungsowie (3) Werkstoffanwendung mit dem Fokusauf metallische und keramische Werkstoffe sowiederen Verbunde. Das vom MCL in Kooperation mitseinen wissenschaftlichen Partnern angeboteneLeistungsspektrum umfasst dienstleistungsorientierteAngebote wie werkstofftechnische Beratung,Werkstoffcharakterisierung, Ermittlung von Werkstoffkennwertenbis hin zu forschungsorientiertenAngeboten wie die Durchführung von gemeinsamenanwendungsorientierten oder grundlagennahenEntwicklungs- und Forschungsvorhaben.Im MCL haben sich verschiedene Forschungseinrichtungenzusammengeschlossen, umkomplexe Fragestellungen besserlösen zu können,größere, multidisziplinäre Projektebesser abwickeln zu könneneine Plattform für Schwerpunktinitiativen unddie nationale und internationale Positionierungzu bilden.Insgesamt wird eine bessere Positionierung amnationalen und internationalen Forschungsmarktsowohl hinsichtlich des industriellen als auch desöffentlichen Sektors angestrebt.Durch die enge Partnerschaft von Wissenschaftund Industrie gelingt es, die gesamte Innovationskettevon der Grundlagenforschung bis hin zur Anwendungabzubilden, wodurch die Umsetzung vonForschungsergebnissen bereits deutlich gesteigertwerden konnte. Diese Partnerschaft zwischen Wirtschaftund Wissenschaft wird vom K plus -Programm,das Programmforschung im Bereich Grundlagenund vorwettbewerbliche Forschung fördert, wesentlichunterstützt.260Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

I15: Materials Center Leoben Forschung GmbHDie Leistungsfähigkeit und Kompetenz desMCL beruht wesentlich auf der Kooperation derbeteiligten Partner. Durch die starke Einbindunguniversitärer Partner wird die laufende Versorgungmit Grundlagenforschungsergebnissen gewährleistet,die außeruniversitären Forschungspartnerund die Industrie bringen hohe Technologie- undAnwendungskompetenz sowie Marktkenntnis indie Kooperation ein. Das gemeinsame Auftretenvon Forschungs- und Industriepartnern gegenüberDritten eröffnet neue Kooperationsmöglichkeitenund ist wesentliches Element zur weiteren Verbesserungder Position.Vision, Mission und Ziele des MCLVisionWeiterentwicklung des MCL zu einem internationalpositionierten „Center of Excellence“ fürWerkstoffe und Werkstofftechnologien, spezialisiertauf komplexe, multidisziplinäre Aufgaben beiWerkstoffentwicklung, Werkstoffherstellung und-verarbeitung sowie Anwendung.MissionMCL bildet eine operative und strategischePlattform für die Kooperation von Wissenschaftund Wirtschaft mit überkritischerGröße,MCL fördert den Ausbau der Kompetenz derbeteiligten Partner undMCL fördert die Ausbildung von Nachwuchsforschernund Experten.ZielMCL will wesentlich dazu beitragen, Österreichals Werkstoff-, Forschungs- und Produktionsstandortvon internationalem Rang nachhaltig abzusichernund auszubauen.Forschungsschwerpunkte des MaterialsCenter Leoben und NanotechnologieBasis des Handelns des MCL ist sein Forschungsprogrammmit den folgenden drei Forschungsschwerpunkten:Grundlagen, Methoden und SimulationWerkstoffe, Fertigungsprozess und DesignFunktionale Materialien und KomponentenNanotechnologie bzw. nanoanalytische Charakterisierungsmethodenspielen heute in vielen Entwicklungsbereicheneine wichtige Rolle. Werkstoffeund deren Eigenschaften werden maßgebend vonder Struktur auf der Nanometerskala kontrolliert. Inden letzten Jahren entwickelten sich sowohl theoretischeals auch experimentelle Methoden zu immerleistungsfähigeren Werkzeugen für das gezielteDesign von Werkstoffen auf der Nanometerskala.Die theoretischen Methoden umfassen beispielsweisedie Modellierung bzw. Vorhersage vonEntmischungsvorgängen auf der Nanometerebene(z.B. Ausscheidungen in Multikomponentensystemen).Bei den experimentellen Methoden sind eseinerseits die modernen hochauflösenden abbildendenMethoden (z.B. analytische Elektronenmikroskopie)sowie andererseits die zunehmendleistungsfähigeren nichtabbildenden Methoden(z.B. Röntgenkleinwinkelstreuung), die wesentlicheImpulse für die Materialentwicklung bringen.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005261

I15: Materials Center Leoben Forschung GmbHNanotechnologie spielt dementsprechend inallen Forschungsschwerpunkten des MCL einewichtige Rolle. Beispiele für die Anwendung nanotechnologischerMethoden sind:Forschungsschwerpunkt 1Höchstfeste, nanostrukturierte Werkzeugstählemit nanometergroßen Ausscheidungen.Forschungsschwerpunkt 2Nanostrukturen in thermochemisch behandeltenund beschichteten Oberflächen von Strukturbauteilen(sowohl nanometergroße Ausscheidungenim Grundmaterial als auch nanostrukturierteSchichten).Forschungsschwerpunkt 3Nanostrukturierte, funktionale Keramiken, derenEigenschaften wesentlich von Aufbau und Verhaltennanometerdicker Korngrenzenzonen abhängen.KontaktMaterials Center Leoben Forschung GmbHFranz-Josef-Straße 138700 Leoben, AustriaTel: +43 38 42 4 59 22- 0Fax +43 38 42 4 59 22-5mclburo@mcl.atwww.mcl.atGeschäftsführer:Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Reinhold EbnerMethoden:Lösungen:M15 | M33 | M34 | M35M36 | M42 | M43L7 | L11 | L19 | L28Institute: —Reinhold EbnerMaterials Center Leoben Forschung GmbHKontakte:K6Oberflächencharakterisierung | Oberflächentechnologie | Röntgenanalytik | WerkstoffcharakterisierungWerkstoffentwicklung | Werkstoffforschung262Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

KontakteHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005K

K1Amenitsch Heinz, Dr.Institut für Biophysik und Röntgenstrukturforschungc /o Sincrotrone Trieste,Strada Statale 14, km 163.534012 Basovizza, ItaliaTel. +39 0 40 3 75 -80 44Fax +39 0 40 9 38 09 02heinz.amenitsch@elettra.trieste.itK2KontakteBergsmann Martin, Dipl.-Ing. Dr.HUECK Folien GesmbHGewerbepark 304342 Baumgartenberg, AustriaTel. +43 72 69 75 70 - 300Fax +43 72 69 66 16m.bergsmann@hueck-folien.atK3Brossmann Ulrich, Univ.-Ass. Dipl.-Phys. Dr.Technische Universität GrazInstitut für MaterialphysikPetersgasse 168010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 84 84Fax +43 316 873 - 89 80brossmann@tugraz.atK4Brunegger Albert, Ing.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 44Fax +43 316 81 15 96albert.brunegger@felmi-zfe.atIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005265

KontakteK5Dehm Gerhard, Univ.-Prof. Dr.Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftJahnstraße 128700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 804 -112Fax +43 38 42 804 -116gerhard.dehm@notes.unileoben.ac.atK6Ebner Reinhold, Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.Materials Center Leoben Forschung GmbHFranz-Josef-Straße 138700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 4 59 22- 0Fax +43 38 42 4 59 22- 5ebner-r@mcl.atK7Fian Alexander, Dipl-Ing.JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialienund PhotonikFranz-Pichler-Straße 308160 Weiz, AustriaTel. +43 316 876 -27 05Fax +43 316 876 -27 10alexander.fian@joanneum.atK8Gescheidt Georg, Univ.-Prof. Mag. Dr.Technische Universität GrazInstitut für Physikalische undTheoretische ChemieTechnikerstraße 48010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 82 30Fax +43 316 873 - 82 25gescheidt@ptc.tugraz.atK9Glatter Otto, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.Karl-Franzens-Universität GrazInstitut für ChemieHeinrichstrasse 288010 Graz, AustriaTel. +43 316 380 - 54 33Fax +43 316 380 - 98 50otto.glatter@uni-graz.atK10Görgl Richard, Dr.Materials Center Leoben Forschung GmbHc/o Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftJahnstraße 128700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 804 - 412Fax +43 38 42 804 -116richard.goergl@unileoben.ac.at266Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

KontakteK11Grampp Günther, O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.Technische Universität GrazInstitut für Physikalische undTheoretische ChemieTechnikerstraße 48010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 82 20Fax +43 316 873 - 82 25grampp@ptc.tugraz.atK12Grogger Werner, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 23Fax +43 316 81 15 96werner.grogger@felmi-zfe.atK13Haas Ursula, Mag.JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialienund PhotonikFranz-Pichler-Straße 308160 Weiz, AustriaTel. +43 316 876 -27 17Fax +43 316 876 -27 10ursula.haas@joanneum.atK14Hofer Ferdinand,Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 20 bzw. - 83 21Fax +43 316 81 15 96ferdinand.hofer@felmi-zfe.atIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005267

KontakteK15Ingolic Elisabeth, Dr.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 29Fax +43 316 81 15 96elisabeth.ingolic@felmi-zfe.atK16Jakopic Georg, Dipl-Ing. Dr.JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialienund PhotonikFranz-Pichler-Straße 308160 Weiz, AustriaTel. +43 316 876 -27 03Fax +43 316 876 -27 10georg.jakopic@joanneum.atK17Kahlert Hartmut, O.Univ.-Prof. Dr.Technische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikPetersgasse 168010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 84 60Fax +43 316 873 - 84 66kahlert@tugraz.atK18Keckés Jozef, Dipl-Ing. Dr.Materials Center Leoben Forschung GmbHFranz-Josef-Straße 138700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 4 59 22-76Fax +43 38 42 4 59 22- 5keckes@unileoben.ac.atK19Keckés Jozef, Dipl-Ing. Dr.Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftJahnstraße 128700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 804 - 301Fax +43 38 42 804 -116keckes@unileoben.ac.at268Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

KontakteK20Köstler Stefan, Dipl.-Ing.JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHInstitut für Chemische Prozessentwicklungund -kontrolleSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 876 - 54 35Fax +43 316 876 9 - 54 35stefan.koestler@joanneum.atK21Kothleitner Gerald, Ao. Univ.-Prof Dipl.-Ing. Dr.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 36Fax +43 316 81 15 96gerald.kothleitner@felmi-zfe.atK22Krenn Heinz, Univ.-Prof. Dr.Karl-Franzens-Universität GrazInstitut für PhysikBereich ExperimentalphysikUniversitätsplatz 58010 Graz, AustriaTel. +43 316 380 - 51 88Fax +43 316 380 - 98 16heinz.krenn@uni-graz.atK23Kuchar Friedemar, O. Univ.-Prof. Dr.Montanuniversität LeobenInstitut für PhysikFranz-Josef-Straße 188700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 402- 46 00Fax +43 38 42 402- 46 02kuchar@unileoben.ac.atK24Lackner Jürgen M., Dipl.-Ing. Dr.JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHLaserzentrum LeobenLeobner Straße 948712 Niklasdorf, AustriaIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenTel. +43 38 42 8 12 60 -23 05Fax +43 38 42 8 12 60 -23 10juergen.lackner@joanneum.atHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005269

KontakteK25Laggner Peter, Univ.-Prof. Dr.Österreichische Akademie der WissenschaftenInstitut für Biophysik und RöntgenstrukturforschungSchmiedlstrasse 68042 Graz, AustriaTel. +43 316 41 20 - 301Fax +43 316 41 20 - 390peter.laggner@oeaw.ac.atK26Laggner Peter, Univ.-Prof. Dr.HECUS XRS GmbHReininghausstrasse 13a8020 Graz, AustriaTel. +43 316 48 11 18Fax +43 316 48 11 18 -20peter.laggner@hecus.atK27Leisch Manfred,Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. tit. Univ.-Prof.Technische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikK28Leising Günther, Ao. Univ-Prof. Dr.JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHInstitut für Nanostrukturierte Materialienund PhotonikFranz-Pichler-Straße 308160 Weiz, AustriaTel. +43 316 876 -27 01Fax +43 316 876 -27 10guenther.leising@joanneum.atK29Lovonyak Mariann, Dr.Materials Center Leoben Forschung GmbHFranz-Josef-Straße 138700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 4 59 22-74Fax +43 38 42 4 59 22- 5mariann.lovonyak@mcl.atK30Maier Günther, Dr.Materials Center Leoben Forschung GmbHc/o Erich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftPetersgasse 168010 Graz, AustriaJahnstraße 128700 Leoben, AustriaTel. +43 316 873 - 84 67Fax +43 316 873 - 84 66m.leisch@tugraz.atTel. +43 38 42 804 - 303Fax +43 38 42 804 -116guenther.maier@unileoben.ac.at270Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

KontakteK31Motz Christian, Dr.Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftJahnstraße 128700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 804 -205Fax +43 38 42 804 -116christian.motz@unileoben.ac.atK32Netzer Falko P., O. Univ.-Prof. Dr.Karl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich ExperimentalphysikUniversitätsplatz 58010 Graz, AustriaTel. +43 316 380 - 51 89Fax +43 316 380 - 98 16falko.netzer@uni-graz.atK33Pippan Reinhard, Univ.-Prof. Dr.Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftJahnstraße 128700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 804 - 311Fax +43 38 42 804 -116pippan@unileoben.ac.atHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005K34Pölt Peter, Dipl.-Ing. Dr.Technische Universität Graz undForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 21Fax +43 316 81 15 96peter.poelt@felmi-zfe.atK35Puff Werner,Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. tit. Univ.-Prof.Technische Universität GrazInstitut für MaterialphysikPetersgasse 168010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 84 83 bzw. - 84 92Fax +43 316 873 - 8980wp@ifk.tu-graz.ac.atK36Ramsey Michael, Ao. Univ.-Prof. Dr.Karl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich ExperimentalphysikUniversitätsplatz 58010 Graz, AustriaTel. +43 316 380 - 52 03Fax +43 316 380 - 98 16michael.ramsey@uni-graz.at271Index Kontakte Institute Lösungen Methoden

KontakteK37Resch Christian, Dr.Anton Paar GmbHAnton-Paar-Straße 208054 Graz, AustriaTel. +43 316 257-272Fax +43 316 257 9 -272christian.resch@anton-paar.comK38Resel Roland, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.Technische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikPetersgasse 168010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 84 76Fax +43 316 873 - 84 66roland.resel@tugraz.atK39Ribitsch Volker, Ao. Univ.-Prof. Dr.JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHInstitut für Chemische Prozessentwicklungund -kontrolleSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 876 -12 20Fax +43 316 876 -12 30volker.ribitsch@joanneum.atK40Rom Werner, Mag. Dr.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 88 30Fax +43 316 81 15 96werner.rom@felmi-zfe.atK41Santner Friedrich, Dr.Anton Paar GmbHAnton-Paar-Straße 208054 Graz, AustriaTel. +43 316 257-110Fax +43 316 257-257friedrich.santner@anton-paar.comK42Schnablegger Heimo, Dr.Anton Paar GmbHAnton-Paar-Straße 208054 Graz, AustriaTel. +43 316 257-271Fax +43 316 257 9 - 271heimo.schnablegger@anton-paar.com272Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

KontakteK43Schöberl Thomas, Dr.Österreichische Akademie der WissenschaftenErich-Schmid-Institut für MaterialwissenschaftJahnstraße 128700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 804 - 304Fax +43 38 42 804 -116schoeber@unileoben.ac.atK44Schröttner Hartmuth, Ing.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 49Fax +43 316 81 15 96hartmuth.schrottner@felmi-zfe.atK45Surnev Svetlozar, Ao. Univ.-Prof. Dr.Karl-Franzens-Universität GrazInstitut für Physik, Bereich ExperimentalphysikUniversitätsplatz 58010 Graz, AustriaTel. +43 316 380 - 85 53Fax +43 316 380 - 98 16svetlozar.surnev@uni-graz.atHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005K46Teichert Christian, Ao. Univ.-Prof. Dr.Montanuniversität LeobenInstitut für PhysikFranz-Josef-Straße 188700 Leoben, AustriaTel. +43 38 42 402- 46 63Fax +43 38 42 402- 46 02teichert@unileoben.ac.atK47Wagner Julian, Dipl.-Ing. Dr.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 49Fax +43 316 81 15 96julian.wagner@felmi-zfe.atK48Waldhauser Wolfgang, Dipl.-Ing. Dr.JOANNEUM RESEARCHForschungsgesellschaft mbHLaserzentrum LeobenLeobner Straße 948712 Niklasdorf, AustriaTel. +43 38 42 8 12 60 -23 11Fax +43 38 42 8 12 60 -23 10wolfgang.waldhauser@joanneum.at273Index Kontakte Institute Lösungen Methoden

KontakteK49Wilhelm Peter, Dr.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 33Fax +43 316 81 15 96peter.wilhelm@tugraz.atK51Würschum Roland, Univ.-Prof. Dr.Technische Universität GrazInstitut für MaterialphysikPetersgasse 168010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 8480 bzw. - 8481Fax +43 316 873 - 89 80wuerschum@tugraz.atK50Winkler Adolf,Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. tit. Univ.-Prof.Technische Universität GrazInstitut für FestkörperphysikPetersgasse 168010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 84 63Fax +43 316 873 - 84 66a.winkler@tugraz.at274Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

KontakteNetzwerk NanoanalytikSteiermarkNAS 1Glatter Otto, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.Karl-Franzens-Universität GrazInstitut für ChemieHeinrichstrasse 288010 Graz, AustriaTel. +43 316 380 - 54 33Fax +43 316 380 - 98 50otto.glatter@uni-graz.atNAS 2Santner Ulrich, Dipl.-Ing.Anton Paar GmbHAnton-Paar-Straße 208054 Graz, AustriaTel. +43 316 257-100Fax +43 316 257-257ulrich.santner@anton-paar.comNAS 3Hofer Ferdinand,Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 83 20 bzw. - 83 21Fax +43 316 81 15 96ferdinand.hofer@felmi-zfe.atNAS 4Rom Werner, Mag. Dr.Technische Universität GrazForschungsinstitut für Elektronenmikroskopie undFeinstrukturforschungund Zentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873 - 88 30Fax +43 316 81 15 96werner.rom@felmi-zfe.atIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005275

Schlagwörter- undAutorenindexHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005X

278Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

IndexSchlagwörterSchlagwort Seite Schlagwort Seite0 – 93D APFIM 4 | 2143D-Atomsonde 4 | 214AAbdrucktechniken 70 | 190Absorptionskoeffizient 24AC-Permeabilität 43Adenoviren 56Adhäsionsneigung 60Adsorption 106 | 152 | 217 | 238AEM 6 | 15 | 193Aerogel 101AES 9 | 181 | 124 | 209AFM 54 | 74 | 78 | 128 | 183Aggregat 198Analysegeräte 224Analytische Feldionenmikroskopie 4 | 214Analytische Transmissionselektronenmikroskopie6 | 15 | 193Anisotropie 24Arzneimittel 41Auger-Elektronenspektroskopie 9 | 124 | 181 | 209Ausscheidungen 134 | 140Austrittsarbeit 62Automatisierung 93BBandabstand 136Benetzbarkeit 60Beratung 247Beschichtungen 9 | 152 | 239Beschichtungen, biokompatiblemedizintechnische 259Beschichtungen, dekorative 259Beschichtungen, optische 9 | 259Beschichtungen, optoelektronische 259Beschichtungstechniken 70 | 190Bindungsenergie 9 | 85biologische Proben 185Biopolymer 93Bragg’sches Gesetz 93Brechungsindex 24Brennstoffzellen 175Brillanz 104Bruch 229CC-AFM 52CBED 46 | 207CCDC 49chemische Landkarte 9chemische Prozesse 239chemische Umgebung freier Volumen 64 | 131chemische Verschiebung 85chemische Zusammensetzung 72 | 195 | 219Chip 146CIDNP 58 | 159CNFs 175Contact Mode 74Creme 101DDC-Permeabilität 43Defekt 108Defekte, atomare 244Desorption 106 | 217Desorptionsspektren 210Deuteriumlampe 62Device Modification 146Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005279

SchlagwörterSchlagwort Seite Schlagwort SeiteDickenbestimmung 24dielektrische Funktion 20 | 24 | 136Diffusionskoeffizient, translatorischer 13Diffusionskonstante 11Diffusionsvorgänge 9Direktabbildung 196Dispersionen 152 | 239DLS 11 | 236Domänenstruktur 93Doppler-Verbreiterung 64 | 131DPA 9 | 181 | 209Dünnschichten 24 | 41 | 141 | 152 | 165172 | 232 | 239Dünnschichten, dielektrische 52 | 253Dünnschichtstrukturen 9Dynamische Lichtstreuung 11 | 236EECAE 49Echtzeit-Datenerfassung 38EDX 27EDXS 6 | 27 | 81EELS 6 | 20 | 30 | 81 | 213EFTEM 30 | 134 | 213Eigenspannungsanalyse 149elektroaktive Materialien 156Elektrochemie 13 | 256Elektrokinetik 119 | 152 | 239Elektronenanalysator 9 | 85Elektronenbeugung 17 | 46 | 154Elektronenbild 62Elektronendichteverteilung 93Elektronenenergieverlustspektroskopie 6 |20 | 30 | 81 | 213Elektronen-Quanten-Transport 253Elektronentransferreaktionen 13Elektronenübertragung 33 | 256Elektronik 224Elektronik, Organische 242 | 247Elektrophorese 119 | 152 | 239Elementverteilung 4Elementverteilungsbilder 213Ellipsometrie 24 | 136Emulsion 101ENDOR 33Energiedispersive Röntgenspektroskopie 27 | 81Energiefilterung 213Energiefilterungs-Transmissionselektronenmikroskopie30 | 134 | 213Entwicklung optischer Spektrometerauf Diodenbasis 256Epitaxie 154EPR 33 | 156 | 159Ermüdung 108ESCA 85 | 219ESR 33 | 156 | 159FFarben 101Fasern 96 | 119 | 152 | 239Faseroptik 239Fehleranalyse 247Feinmechanik 224Festkörperspektroskopie 64 | 131 | 251FIB 36 |193 | 146 | 163 | 200FIB-Dünnung 70Flüssigkristalle 93 | 96Focused Ion Beam 36 | 146 | 163 | 193 | 200Formfaktor 93Fraktaler Exponent 93freie Volumina 64 | 131FTIR-Mikroskopie 103 | 169Fullerene 141Füllstoff 198280Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

SchlagwörterSchlagwort Seite Schlagwort SeiteGIGateoxide 52 Imaging 103 | 169Gele 96 Infrarot-Mikroskopie 103 | 232Gitterstruktur 93 Infrarot-Spektroskopie 102 | 169Gold(111) 154 Integration 247Goldoberfläche 210 Ionenätzen 9 | 70 | 190Grenzflächen 64 | 131 | 239 Ionenbeschuss 183Grenzflächenphysik 251 Ionendünnung 70 | 190Größenverteilung 96 Ionenleiter 207HHaftfestigkeit von Beschichtungen 165Halbleiter 204 | 213 | 253Halbleiter, organische 128 | 183 | 242Halbleitermodifikation 36Halbleiternanostrukturen 183Halbleiterphysik 251Härte 54 | 185Hartstoffschichten 9HECUS System-3 38Heteroepitaxie 183Hierarchische Strukturen 96high-k dielectric 52Hochauflösung 81Hochauflösungselektronenmikroskopie 6 | 46 | 207Hochtemperatur 172Hochtemperatur-Kammer 41Hochtemperatur-Pulverdiffraktion 41Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie 168 | 172Hochverformung 49 | 177 | 185 | 229HPT 49HREM 46 | 175HR-TEM 6 | 46 | 207HT-XRD 41 | 168 | 172Hydrodynamischer Radius 11Hysterese 177Hysteresograph 43IR-Spektroskopie 253KKatalysatoren 41 | 96 | 101Katalyse 9 | 33 | 216 | 256Kernspinresonanz 58Kleinwinkelstreuung 226Koerzitivkraft 177Kolloide 119 | 152 | 239komplexe Materialien 229Kontaktwinkelmessung 60Kontrastierung 116Konvergente Elektronenbeugung 46 | 207Koordinationszahlen 219Korrosion 9Kratky-Kollimator 234Kristallinitätsgrad 198Kristallitgröße 87Kristallorientierung 89Kristallstruktur 41 | 87 | 172Kryopräparation 70 | 190Kryotransfer 70 | 190Kunststoffe 101 | 198Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005281

SchlagwörterSchlagwort Seite Schlagwort SeiteLLackhärtung 159Laserdünnschichttechnik 259Laserlegieren 259Lasermaterialbearbeitung 259Laser-Opto-Akustik 251Laserproduktionstechnik 2D (3D) 259Laserschweißen 259Lasertechnik 251Lebensmittelindustrie 204LED 209LEED 17 | 154Leerstellen 64 | 131Legierungen 131 | 214 | 134Leiterbahn 108Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie 52Leuchtdioden 204Lichtmikroskopie 116Linienverbreiterung 87Lithium-Ionen-Zellen 175LT-XRD 41Mmagnetische Eigenschaften 177magnetische Funktionswerkstoffeund -polymere 137magnetische Pigmente 137magnetische Resonanz 256Magnetisierung, temperaturabhängige 43Magnetometer 43Magnetometrie 43 | 251 | 137 | 176Magnetsputtern 259Massenspektrometer 106Materialforschung 224Materialkontrast 72Materialphysik 244mechanische Eigenschaften 229Membranen 101 | 119 | 152 | 239mesoporös 144Messgeräte 224Messtechnik 224Metall 49Metallfilm 172Metalllegierungen 140Mikroemulsion 93 | 96Mikrostrukturen 30 | 229 | 232Mikrostrukturierung 36Mikroverzerrungen 87Mikrowellen-Spektroskopie 253modifizierter Graphit 175Molekulargewicht 93Morphologie 128NNanodrähte 124Nanoelektronik 83 | 204Nanoindentierung 54 | 185Nanokomposit 93nanokristalline Materialien 87 | 131 | 244Nanokristallite 177Nanomagnetismus 253Nanomechanik 163 | 200Nanooptik 251Nanopartikel 119 | 239 | 204 | 152 | 179nanoporös 93Nanopulver 11Nanostrukturanalyse 234Nanostrukturen 30 | 93 | 96 | 104 | 196229 | 232 | 234Nanostrukturen, elektronische 253Nanostrukturforschung 226 | 251nanostrukturierte Materialien 247Nanostrukturierung 36Nanoteilchen 232Negativkontrastierung 56Nickel 124NMR 58Numerische Simulation desElektronentransports 253282Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

SchlagwörterSchlagwort Seite Schlagwort SeiteOOberfläche, innere 93Oberfläche, spezifische 96 | 198Oberflächen 72 | 119 | 152 | 239Oberflächenanalytik 219Oberflächencharakterisierung 262Oberflächenelastizität 78Oberflächenempfindlichkeit 85Oberflächenenergie 60Oberflächenladung 96 | 119 | 152 | 239Oberflächenmodifikation 152 | 239Oberflächenmorphologie 74Oberflächen-Nanostrukturen 253Oberflächenpassivierung 9Oberflächenphysik 242 | 251Oberflächenrauigkeit 74Oberflächenrauigkeit, Powerspektrum der 183Oberflächenstreuung 226Oberflächenstruktur 17Oberflächentechnologie 262Oberflächentopographie 83Oberflächenverunreinigungen 9Optik 251optische Konstanten 20 | 24organische Filme 216Österreichische SAXS-Station 226Oxidation 9PPapier 101 | 198Paramagnetische Spezies 33 | 159 | 256Particle Sizing 11Partikel 101Partikelform 93PEEM 62 | 216Pentazen 128 | 216Permeabilität 43Perowskit 207Persistenzlänge 93Phase Imaging 78Phasenanalyse 87Phasensignal 78Phasenstabilität 204Phasenumwandlungen 168Phasenverhalten 204Phosphorwolframsäure 56Photochemie 256Photoelektronenspektroskopie 85 | 141 | 161Photoemissions-Elektronenmikroskopie 62 | 216Photoinitiatoren 159Photon Correlation Spectroscopy 11Photonik 251Photonische Kristalle 253Piezoelement 83Piezokeramik 201Pigmente 152 | 239Pin-on-Plate-Test 111Plastizität 177 | 229PLD 259Polfigur 89Polyethylen 187Polymere 93 | 96 | 103 | 116 | 119131 | 137 | 152 | 169187 | 209 | 239Polymere, leitende 156Poren 96Porengröße 144Porenöffnung 179poröses Silizium 124Porosität 96 | 198Positronenannihilation 64 | 131 | 244Probenpräparation 15 | 36 | 56 | 70116 | 190 | 193Probenpräparation, elektrolytische 15Protein 101Prozesskontrolle 239Prozessüberwachung im Vakuum 195Prozessunterstützung 247Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005283

SchlagwörterSchlagwort Seite Schlagwort SeitePulsed Laser Deposition 259Pulsstruktur 104Pulver 11Pulverdiffraktion 41QQuanten-Halleffekt 253Quanten-Punkte 253Quantum Dots 204Quaterphenyl 154 | 210Quecksilberlampe 62RRadikale 33 | 58 | 159 | 256Raman-Mikroskopie 103 | 169 | 232Raman-Spektroskopie 103 | 195 | 251Raster-Auger-Mikroskopie 9Rasterelektronenmikroskopie 70 | 72 | 175190 | 193 | 232Rasterionenmikroskopie 163 | 200Rasterkraftmikroskopie 52 | 54 | 74 | 78 | 128 | 183Rastersondenmikroskopie 253Rastertransmissionselektronenmikroskopie6 | 81Rastertunnelmikroskopie 83 | 196Reaktionswellenfront 216Redoxpotenzial 13Reibung 111Rekristallisation 168REM 70 | 72 | 175 | 190 | 193Remanenzmagnetisierung 137Rhodium 216Riss 108Röntgenanalytik 262Röntgenbeugung /diffraktion 41 | 89 | 97 | 172 |226 | 244Röntgenbeugung /diffraktion,zeitaufgelöste 226Röntgendiffraktometrie 89 | 136 | 149Röntgenkleinwinkelstreuung 38 | 93 | 96 | 101 | 140144 | 179 | 187 | 198204 | 224 | 234 | 236Röntgenphotoelektronenspektroskopie219Röntgenreflektivität 99Röntgenspektroskopie 6 | 27Röntgenstrahlung 85Röntgenweitwinkelstreuung 38 | 93 | 96 | 179204 | 234 | 236Rotaviren 56Rumpfniveauspektrum 161SSAED 46 | 207SAM 9Sauerstoff-Messung 239SAXESS 101SAXS 38 | 93 | 96 | 101 | 140 | 144179 | 187 | 198 | 204224 | 226 | 234 | 236Schicht 108Schichtdicke 99Schichtrauigkeiten 99Schichtwachstum 24 | 128Scratch-Test 165Sekundärelektronen 9 | 72Selbstorganisation 183Self-Assembly 96 | 152 | 239Sensoren 239Sensorik 251Sensorik, optochemische 239Severe Plastic Deformation (SPD) 49Silikat 198Silizium-Germanium-Legierung 136SIMS 163 | 200Soft Matter 96Spannungen, extrinsische 149Spannungen, innere 108284Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

SchlagwörterSchlagwort Seite Schlagwort SeiteSpannungen, intrinsische 149Spannungen, mechanische 172Spannungen, thermische 108Spectrum Imaging 81spektrale Bildgebung 103 | 169SQUID-Magnetometrie 43 | 137 | 177Stähle 134 | 140 | 196 | 214STEM 6 | 81STM 83 | 196Stöchiometrie 219Streumassenradius 93Streumethoden 236Strukturbestimmung 41 | 101 | 168Strukturen, amorphe 204Strukturen, kristalline 93 | 204Strukturfaktor 93Suspensionen 101Suszeptometer 43SWAXS 38 | 93 | 234Synchrotron 104 | 234Synchrotron ELETTRA 226Synchrotronstrahlung 104 | 204TTapping Mode 74 | 78TDS 106 | 210 | 217Teilchengrößenverteilung 11Telekommunikation 204TEM 15 | 20 |30 | 70 | 116 | 134190 | 193 | 207 | 213TEM-Probenpräparation 36 | 193Tenside 119 | 152 | 239Thermische Desorptionsspektroskopie106 |210 | 217thermische Gitterdeformation 172thermomechanischeCharakterisierung 108Tieftemperatur-Kammer 41Tieftemperatur-Pulverdiffraktion 41Transferschichten 195Transmissionselektronen- 20 | 27 | 30 | 46 | 70 | 56mikroskopie 116 | 134 | 190 193207 | 213 | 232Tribologie 111 | 165Tunneleffekt 83Tunnelstrom 83UUltradünnschnitttechniken 70Ultrahochvakuum 17 | 106Ultramikrotomie 70 | 116Undulatoren 104UPS 85Uranylacetat 56UV-Strahlung 85VVanadium 217Vanadiumoxid 83VASE 24Verbindungshalbleiter 131Verbundmaterialien 104Verbundwerkstoff 185 | 198Verknäuelungsgrad 93Verschleiß 111Verschleißschutz 259Virus 101Voltammetrie, photomodulierte 13Voltammetrie, zyklische 13Index Kontakte Institute Lösungen MethodenTiefenprofil 181 | 209Tiefenprofilanalyse 9Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005285

SchlagwörterSchlagwort Seite Schlagwort SeiteWWasserstoff 217WAXS 38 | 87 | 89 | 93 | 96 |179204 | 234 | 236Weitwinkelstreuung 226Werkstoffanalyse 41Werkstoffcharakterisierung 262Werkstoffentwicklung 262Werkstoffforschung 262Werkzeugstähle 196Wiggler 104Wirkstofffreisetzung 179XXPS 85 | 141 | 161 | 219XRD 41 | 149XRD-LPA 87XRD-PF 89XRR 99ZZellulose 198Zement 41 | 204Zeta-Potenzial 119 | 152 | 224 | 239Zielpräparation 193286Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

IndexAutorenAutor Seite Autor SeiteAABUJA Peter M. 38 | 93 | 233BBROSSMANN Ulrich 87BRUNEGGER Albert 70 | 188DDEHM Gerhard 49 | 108 | 163 | 200 | 229EEBNER Reinhold 167 | 262EIPER Ernst 149 | 172FFIAN Alexander 219FRITZ Gerhard 11 | 95GGESCHEIDT Georg 32 | 58 | 156 | 158 | 256GLATTER Otto VII | 11 | 95 | 236GÖRGL Richard 139GRAMPP Günter 13 | 32 | 256GROGGER Werner 27 | 30 | 45 | 81 | 207 | 212GSPAN Christian 45 | 207HHAAS Ursula 78 | 127HABER Thomas 89HOFER Ferdinand IX | 20 | 27 | 30 | 45134 | 207 | 212 | 232HRISTOVA Daniela 158IINGOLIC Elisabeth 56 | 115JJAKOPIC Georg 24 | 136KKAHLERT Hartmut 241KECKES Josef 149 | 172KIENER Daniel 163 | 200KÖSTLER Stefan 119 | 152KOTHLEITNER Gerald 6 | 20 | 36 | 45 | 7081 | 134 | 193KOTNIK Petra 41 | 101 | 198KREMMER Sascha 52KRENN Heinz 43 | 137 | 177 | 251KUCHAR Friedemar 253LLACKNER Jürgen M. 60 | 111 | 165 | 195 | 259LAGGNER Peter 104 | 143 | 178 | 204 | 226LANDGRAF Stefan 13 | 256LEISCH Manfred 4 | 196 | 214LEISING Günther 246LINDLAR Benedikt 143LOVONYAK Mariann 167LÜCHINGER Marco 143MMAIER Günther 187MOTZ Christian 163 | 200MÜHLBURGER MarthaIVIndex Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005287

AutorenAutor Seite Autor SeiteNNESHCHADIN Dmytro 158NETZER Falko 9 | 62 | 83 | 85 | 123161 | 208 | 216PPALLER Manuel 15PIPPAN Reinhard 49 | 163 | 200PIRNGRUBER Gerhard D. 143PÖLT Peter 72PRINS Roel 143PUFF Werner 64 | 131RRAMSEY Michael 9 | 62 | 83 | 85 | 123161 | 208 | 216RECHBERGER Werner 81REISCHL Martin 119 | 152RESCH Christian 41 | 172RESEL Roland 89 | 99 | 172RIBITSCH Volker 119 | 152 | 239ROGERS Michael 36 | 45 | 193ROM Werner III | 70 | 175 | 246TTEICHERT Christian 52 | 74 | 183 | 253VVORHAUER Andreas 49WWAGNER Julian 146WALDHAUSER Wolfgang 60 | 111 | 165 | 195 | 259WERZER Oliver 99WETSCHER Florian 49WIEDENHOFER HelmutWILHELM Peter 103 | 169WINKLER Adolf 17 | 106 | 141 | 154180 | 210 | 217WINKLER Bernhard 41WORSCH Peter 101 | 198WÜRSCHUM Roland 64 | 87 | 131 | 244ZZARKRZEWSKI Marek 178IVSSANTNER Ulrich 224SCHMIED Mario 175SCHNABLEGGER Heimo 101 | 198SCHÖBERL Thomas 54 | 163 | 185 | 200SURNEV Svetlozar 9 | 62 | 83 | 85 | 123161 | 208 | 216288Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005ImpressumHandbuch der Nanoanalytik Steiermark1. Aufl age, Juli 2005Graz, Austriaherausgegeben und redigiert von W. RomKontaktForschungsinstitut für Elektronenmikroskopieund Feinstrukturforschung,Technische Universität Graz undZentrum für Elektronenmikroskopie GrazSteyrergasse 178010 Graz, AustriaTel. +43 316 873-8320Fax +43 316 811596sekretariat@felmi-zfe.atwww.felmi-zfe.at05in Zusammenarbeit mit derJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHLayout: Bernd Trübswasser | www.opflsoft.at

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