ASAXS - Helmholtz-Zentrum Berlin

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1.1 Einleitung
Glas und Glaskeramiken spielen in vielen Bereichen des täglichen Lebens sowie in der Industrie
eine wichtige Rolle. Je nach Anwendungsbereich müssen diese unterschiedliche Anforderungen
erfüllen. Beispielsweise sollen Fenstergläser isolieren und dennoch transparent sein. Kaminofenfenster
oder Glasgeschirr müssen eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen.
Die Eigenschaften von Gläsern und Glaskeramiken werden von der Glaszusammensetzung
und von den oft in ihnen vorkommenden Phasen im Nanometerbereich definiert. Die Entstehung
dieser Nanoheterogenitäten wird durch die Neigung eines Glassystems zur Entmischung
und Kristallisation beeinflusst. Eine Möglichkeit zur Steuerung dieser Entmischungs- und
Kristallisationsvorgänge ist eine gezielte Temperaturbehandlung des Glassystems. Bilden sich
kristalline Phasen in einem Glassystem aus, handelt es sich um eine Glaskeramik. Sollten die
Entmischungen amorph bleiben, handelt es sich weiterhin um ein Glas. Für die Weiterentwicklung
von Gläsern und Glaskeramiken spielt demzufolge die Erkenntnis über die Nanostruktur
eine wichtige Rolle.
Zur Untersuchung von Nanophasen bietet sich neben der abbildenden Methode der Elektronenmikroskopie
die Röntgenkleinwinkelstreuung an. Die Röntgenkleinwinkelstreuung (small
angle X-ray scattering; SAXS) gehört zur Gruppe der integralen analytischen Methoden, mit
ihr ist es möglich, Objekte im Größenbereich von ungefähr 1-200 nm zu untersuchen. Vorteil
gegenüber den lokalen Methoden (beispielsweise der Elektronenmikroskopie) ist, dass über
eine Vielzahl von Objekten gemittelt wird (typischerweise mehr als 1 × 10 14 Objekte). Die
SAXS-Methode kann Informationen über die Form, Anzahl und Größenverteilung der Objekte
liefern. Im Fall von dicht gepackten Systemen ist es zusätzlich möglich, Informationen über
die interpartikuläre Wechselwirkung der Objekte zu extrahieren.
Nicht nur Form und Größe von Objekten definieren die Eigenschaften von Materialien,
sondern auch die Zusammensetzung der einzelnen Phasen. Die Bestimmung der Zusammensetzung
von einzelnen Phasen kann mit der lokalen zerstörungsfreien Methode der energiedispersiven
Röntgenspektroskopie (energy dispersive X-ray spectroscopy; EDX) durchgeführt
werden. Ein Vorteil der EDX-Methode ist, dass die Auswertung und Interpretation der EDX-
Spektren einfach und schnell durchgeführt werden kann. Arbeiten von Dantelle et al. [1, 2] und
Kukkonen et al. [3] zeigen, dass die EDX-Methode bei sehr kleinen Objekten im Nanometerbereich
nur eingeschränkt angewendet werden kann. Es ist nicht auszuschließen, dass mit EDX
beide Phasen (Nanopartikel und Umgebung) simultan hinsichtlich der Zusammensetzung analysiert
werden. Dieser Effekt verstärkt sich mit abnehmender Größe der zu untersuchenden
Phasen des Probensystems. Des Weiteren ist die Schlussfolgerung auf eine gemittelte Aussage
für die gesamte Probe, ausgehend von einer lokalen EDX-Untersuchung, aus Sicht der
Statistik problematisch.
Die einzige integrale zerstörungsfreie Methode zur Bestimmung von Phasenzusammensetzungen
stellt die anomale Röntgenkleinwinkelstreuung (anomalous small angel X-ray scattering;
ASAXS) dar. Hierbei wird die anomale Dispersion der atomaren Streuamplitude eines
Elementes in der Nähe seiner Röntgenabsorptionskante gezielt ausgenutzt: der Streukontrast
wird verändert, um Aussagen über einzelne Elemente zu erlangen. Diese Technik der Kontrastvariation
definiert im Zusammenhang mit einer hier neu entwickelten Auswertemethode
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