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Röntgenkleinwinkelanlage

Subject Area Condensed Matter Physics
Term Funded in 2012
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 221329580
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

Das neue Röntgenkleinwinkelstreuinstrument wurde nach unseren Vorgaben und in enger Kooperation mit uns gebaut. Es ist in seiner Art und Leistungsfähigkeit einzigartig und gestattet Messungen unter atmosphärischen Normalbedingungen sowie im Vakuum. Dabei ist in beiden Fällen eine große Flexibilität am Probenort auch und gerade für große Probenumgebungen vorhanden. Die Verkippungsmöglichkeit der Kollimationsstrecke inklusive der Röntgenquelle gegen die Horizontale gestattet ferner Messungen an Flüssigkeitsoberflächen unter streifendem Einfall des Röntgenstrahls (GISAXS, GIXD). Die Anlage ist voll automatisiert und wird mit dem Programm SPEC gesteuert. In klassischen SAXS Experimenten werden mit dem Gerät qualitativ beachtlich gute Ergebnisse erzielt. Wir haben zahlreiche nanopartikuläre (organische und anorganische) Systeme detailliert untersucht. So wurde z.B. die Partikelgrößenverteilung von lecithinstabilisierten Lipidnanopartikeln in wässriger Lösung mit molekularer Auflösung bestimmt, die als Arzneistoffträgersysteme verwendet werden und sich auch für die Verabreichung von DNA in der Gentherapie eignen. Auch die Anordung der Lecithinmoleküle in der Grenzfläche zwischen Nanopartikel und Dispersionsmedium konnte detailliert untersucht werden. Dabei beeinflusst auch die Wahl des Lecithins (DLPC, DOPC, S100) ebenso wie die Konzentration der Nanopartikel die mesoskopische Struktur der Dispersionen. Trimyristin Nanosuspensionen bilden bei einem Gewichtsprozentanteil unterhalb von 6% eine isotrope Phase von separierten Nanopartikeln. Mit zunehmender Konzentration kommt es zunächst zu einer reversiblen Ausbildung von kleine Teilchenstapeln, bevor sich bei noch höheren Konzentrationen eine flüssigkristalline Phase mit klarer Vorzugsorientierung der einzelnen Teilchen bildet. Neben einem anisotropen 2D SAXS Streubild ruft diese ebenfalls optische Doppelbrechung hervor. In Zusammenarbeit mit einem Industriepartner wurde anhand von SAXS und komplementären UV-VIS und AUC Messungen die Ausbildung einer dreigipfligen Teilchengrößenverteilung in ZnO Nanosuspensionen beobachtet, die in einem Standardverfahren hergestellt wurden. Bei weiterführenden in-situ SAXS-Messungen bei verschiedenen Temperaturen konnte die zeitliche Entwicklung der Fraktionen verfolgt werden. Nur dank der hohen Intensität und Auflösung des SAXS-Instruments wurden diese hochpräzisen Messungen möglich. Aufbauend auf dieser Arbeit konnte erstmals die Ausbildung einer Stabilisatorhülle um die ZnO Nanopartikel in-situ beobachtet werden, die aus einer teilweise diffusen Azetatschicht besteht. Die Struktur der aktiven Schicht von gedruckten organischen Dünnschichtsolarzellen kann detailliert mit GISAXS und GIXD Messungen untersucht werden. Dabei besteht die photoaktive Schicht typischerweise aus einer Polymer-(p-Halbleiter) und einer Fullerenphase (n-Halbleiter). Die mesoskopische Struktur dieser bikontinuierlichen nanostrukturierten Phasenmischung entsteht in einem Selbstorganisationsprozess während der Trocknung und ggf. einer Nachbehandlung des Films und ist von wesentlicher Bedeutung für die Funktion und Effizienz solcher Solarzellen. Am LKS wird ein breites Spektrum an Polymer- und Fullerensystemen durch in-situ GISAXS- und GIXD-Experimente an dem neuen Instrument während der Filmtrocknung untersucht, wobei zur Erreichung einer sehr hohen Zeitauflösung auch Messzeiten an Großforschungseinrichtungen eingeworben werden. So konnte durch Experimente an Beamlines und dem inhouse SAXS-Gerät u.a. gezeigt werden, dass die Trocknung in drei Zeitabschnitte unterteilt werden kann. Zunächst schrumpft die Schicht auf eine Dicke von 1µm, ohne Einfluss auf die Struktur. In der zweiten Phase nukleiert das Polymer mit interkalierten Fullerenmolekülen, während die Schichtdicke auf 100 nm schrumpft. In der letzten Phase bilden sich eindimensionale Fulleren-Kanäle entlang der Stapelung der Polymerkristallite aus. Neben Polymer-Fulleren Schichten wurden weitere funktionelle Dünnschichtsysteme untersucht. Dazu gehören auch ca. 10 nm dünne Silberschichten auf Silizium, die anschließend mit Ioddampf behandelt wurden. Hier zeigte sich bereits nach kurzer Reaktionszeit, dass sich die zunächst isotrop orientierten kubischen Silbernanokristalle in eine AgI-Schicht mit weitgehender Texturierung umwandelt. Zusätzlich zu den beschriebenen Ergebnissen lieferten die Messungen an dem neuen SAXS Gerät bereits jetzt einen entscheidenden Beitrag für weit über 20 eingeworbene Röntgen- und Neutronenmesszeiten an Großforschungseinrichtungen. Neben den hier gezeigten Ergebnissen gibt es noch eine Vielzahl weiterer sehr erfolgreicher Messungen.

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