Abbildendes Elektronenenergieverlustspektrometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das abbildende Elektronenenergieverlustspektrometer wird in Kombination mit einem hochauflösenden analytischen (Raster)-Transmissionselektronenmikroskop (TEM/STEM) am Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM) betrieben und wird für die Bearbeitung von Fragestellungen in verschiedenen materialwissenschaftlich ausgerichteten Verbundprojekten eingesetzt. Das Anwendungsfeld ist dabei sehr breit gefächert und beinhaltet u.a. lokale chemische Analysen und Mappings, Untersuchungen von Bindungstypen und Wertigkeiten auf Nanometerskala sowie die Filterung elastisch gestreuter Elektronen für konvergente Beugungsanalysen. Aufgrund der neuen Funktionalitäten des Fast Shutters und Dual-EELS können nanoanalytische Untersuchungen mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) und energiegefiltertem TEM (EFTEM) für moderne Materialforschung auf exzellentem Niveau durchgeführt werden. Im Folgenden werden ausgewählte Anwendungsbeispiele aufgezeigt. Mittels nanoanalytischen Analysen wurden verschiedene Halbleiterbauelemente für opto-elektronische Anwendungen charakterisiert. So konnten nanoanalytische Morphologie-Studien an organischen Solarzellen Aufschluss über die Leistungsfähigkeit der Zellen in Abhängigkeit von thermischen bzw. Lösungsmitteldampf-Behandlungen liefern und den Einfluss von dritten organischen Komponenten zur Leistungssteigerung erklären. Hierfür wurden die involvierten Materialien zuerst mittels EELS charakterisiert und anschließend die erworbene elementspezifische und plasmonische Information verwendet, um mittels EFTEM die Nanomorphologie der Materialverteilung in der aktiven Schicht der Solarzelle, bestehend aus organischen Materialien wie Polymeren bzw. kleinen Molekülen in Verbindung mit Fullerenen, zu bestimmen. Eine weitere Anwendung von EFTEM betraf die Analyse von Verunreinigungen auf Graphenoxid-Membranen. Hier konnten Reste von Silizium in Form von dünnen Inseln nachgewiesen werden. Mit dieser wichtigen Beobachtung gelang es, die Synthese gezielt zu optimieren und das Auftreten von Silizium vollständig zu unterdrückten. Des Weiteren wurden STEM-EELS Messungen an anorganischen Solarzellen und Transistoren durchgeführt, um die Materialverteilung in den aktiven Schichten aufzuklären. In weiteren Anwendungen wurde die Feinstruktur von EELS-Kanten genutzt, um in verschiedenen Funktionsmaterialien, vornehmlich in Metalloxiden, Aufschlüsse über die Bindung und Ladungszustände der Kationen und Anionen zu gewinnen. So konnte mit Hilfe einer Oxidationsstufenanalyse das Produkt einer neuen Synthese für Molybdenoxid-Nanostäbchen eindeutig als MoO2 identifiziert werden. Des Weiteren wurde Wasserstoff-behandeltes SrTiO3, das in der Photokatalyse eingesetzt wird, mittels EELS untersucht. Über die Analyse der Kantenfeinstrukturen konnte ein bevorzugtes Auftreten von Ti3+ im Bereich der SrTiO3- Oberfläche nachgewiesen und als möglicher Grund für die verbesserte photokatalytische Aktivität identifiziert werden. Ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Feinstrukturuntersuchung und somit der Ermittlung der Bindungszustände sind mit Diamant-beschichtete Wolfram-Spitzen, die als ultra-helle Elektronen-Emitter verwendet werden. Über die Analyse von sp2- und sp3-hybridisierten Bindungszuständen des Kohlenstoffs gelang es hier, mit hoher räumlicher Auflösung das Vorhandensein von graphitischen Kohlenstoff an den Korngrenzen der kolumnar gewachsenen Diamantbeschichtung nachzuweisen. Eine andere Studie betraf die Untersuchung von dünnen (2-5 nm) Titanoxid- und Aluminiumoxidschichten, die als Zwischenschichten beim sog. metallindizierten Schichtaustausch zum Einsatz kommen und eine wichtige Rolle spielen. Durch eine detaillierte Analyse der Kantenfeinstrukturen (Al, Ti, O) konnte nachgewiesen werden, dass im Prozess Titanoxid in Aluminiumoxid umgewandelt wird, was wichtige Schlüsse auf das Funktionsprinzip des Schichtaustauschs ermöglichte. Wie die verschiedenen Anwendungsbeispiele zeigen, wurde und wird das abbildende Elektronenenergieverlustspektrometer in Kombination mit dem hochauflösenden analytischen TEM in den ersten drei Jahren nach Inbetriebnahme intensiv genutzt um materialwissenschaftliche Fragestellungen aufzuklären.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Photophysics of Molecular- Weight-Induced Losses in Indacenodithienothiophene-Based Solar Cells“, Advanced Functional Materials (2015) 25, 4898-4907
Gasparini N., Katsouras A., Prodromidis MI., Avgeropoulos A., Baran D., Salvador MF., Fladischer S., Spiecker E., Chochos CL., Ameri T., Brabec C.
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„A Series of Pyrene-Substituted Silicon Phthalocyanines as Near-IR Sensitizers in Organic Ternary Solar Cells“, Advanced Energy Materials (2016) 6, 1502355
Ke L., Min J., Adam M., Gasparini N., Hou Y., Perea JD., Chen W., Zhang H., Fladischer S., Sale AC., Spiecker E., Tykwinski R., Brabec C., Ameri T.
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„Designing ternary blend bulk heterojunction solar cells with reduced carrier recombination and a fill factor of 77%“, Nature Energy (2016) 1, 16118
Gasparini N., Jiao X., Heumüller T., Baran D., Matt G., Fladischer S., Spiecker E., Ade H., Brabec C., Ameri T.
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„High efficiency and stability small molecule solar cells developed by bulk microstructure fine-tuning”, Nano Energy (2016) 28, 241-249
Min J., Jiao X., Sgobba V., Kan B., Heumüller T., Rechberger S., Spiecker E., Guldi DM., Wan X., Chen Y., Ade H., Brabec C.
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„Highly Intact and Pure Oxo-Functionalized Graphene:Synthesis and Electron-Beam-Induced Reduction“, Angewandte Chemie (2016) 55, 1-5
Butz B., Dolle C., Halbig C., Spiecker E., Eigler S.
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„Side- Chain Engineering for Enhancing the Properties of Small Molecule Solar Cells: A Trade-off Beyond Efficiency“, Advanced Energy Materials (2016) 6, 1600515
Min J., Cui C., Heumüller T., Fladischer S., Cheng X., Spiecker E., Li Y., Brabec C.
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„Crystallization of sensitizers controls morphology and performance in Si-/C-PCPDTBT-sensitized P3HT: ICBA ternary blends”, Macromolecules (2017) 50, 2415-2423
Du X., Jiao X., Rechberger S., Perea Ospina JD., Meyer M., Kazerouni N., Spiecker E., Ade H., Brabec C., Fink R., Ameri T.
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„Light harvesting enhancement upon incorporating alloy structured CdSeXTe1−X quantum dots in DPP:PC61BM bulk heterojunction solar cells“, Journal of Materials Chemistry C (2017) 5, 654-662
Soltani R., Katbab AA., Schaumberger K., Gasparini N., Brabec C., Rechberger S., Spiecker E., Alabau AG., Ruland A., Saha A., Guldi DM., Sgobba V., Ameri T.
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„Panchromatic ternary/quaternary polymer/fullerene BHJ solar cells based on novel silicon naphthalocyanine and silicon phthalocyanine dye sensitizers“, Journal of Materials Chemistry A (2017) 5, 2550-2562
Ke L., Gasparini N., Min J., Zhang H., Adam M., Rechberger S., Forberich K., Zhang C., Spiecker E., Tykwinski R., Brabec C., Ameri T.
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„Improving spray coated organic photodetectors performance by using 1,8-diiodooctane as processing additive“, Organic Electronics (2018) 54, 21-26
Montenegro Benavides C., Rechberger S., Spiecker E., Berlinghof M., Unruh T., Biele M., Schmidt O., Brabec C., Tedde SF.
