Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop mit EDX-Zusatz
Final Report Abstract
Die AG Meixner (IPTC) forscht im Bereich der Nanophotonik und Plasmonik. Die Beobachtung der Lumineszenz von Einzelemittern (Gold-Nanopartikel, Einzelmoleküle, usw) im Nanometerbereich mit höchstauflösenden Methoden der Nahfeldoptik kann direkten Aufschluss über die Orientierung von Dipolmomenten geben. Ein leistungsfähiges REM liefert für derartige Experimente ein unverzichtbares, alternatives bildgebendes Verfahren, bei dem die Orientierung und Lage der Nanoobjekte zusätzlich kontrolliert werden kann. In einer Beispielpublikation der AG Meixner wurden einzelne Goldnanostäbchen (GNR) auf einem Resonatorspiegel aufgebracht und mit dem REM abgebildet. In der spitzenverstärken Nahfeldmikroskopie (TERS) sind Form, Oberfläche und besonders der untere Radius von Au-Tips maßgebend für den beobachteten Verstärkungseffekt. Sie wirken sich unterschiedlich auf das optische Experiment aus, daher muss jede Spitze bestmöglich charakterisiert werden. Mittels des hochauflösenden REM konnte die AG Meixner diese Charakteristika ihrer selbst hergestellten Au-Tips mit höchster Präzision bestimmen. Von der AG Fleischer (IAP) werden lithographisch erzeugte Nanostrukturen ebenfalls als optische Antennen mit plasmonischen Eigenschaften eingesetzt. Einzelne Gold- und Aluminium-Nanokegel wurden mit Halbleiter-Quantendots kombiniert. Die entsprechenden Strukturen ergeben hohe optische Nahfeldverstärkungen für empfindliche spektroskopische Untersuchungen. Das REM ermöglichte dabei hochauflösende Aufnahmen der Nanostrukturen und eine sehr hohe Bildauflösung, bei welcher selbst Übersichtsbilder noch eine detaillierte Abbildung der Einzelpartikel boten. Durch den Wechsel zwischen Sekundärelektronen- und Rückstreuelektronendetektor konnte hervorragend zwischen der Form der reinen Goldpartikel und deren Ligandenhülle unterschieden werden. Untersuchungen von Polymeren und deren Degradationsverhalten bilden einen der Forschungsschwerpunkte der AG Chassé (IPTC). Polymerblends wie P3HT/PCBM u.a. sowie Polymerschichtsysteme lassen sich im Niedrigenergie-Mode des REM hervorragend abbilden. Das Auftreten von PCBM-Ausscheidungen nach Tempern der Blends kann mit dem FE-SEM empfindlich erfasst werden, und für größere Ausscheidungen sind die Materialzusammensetzungen auf Grundlage von EDX-Elementverteilungen direkt erschließbar. Komplementär zu oberflächenempfindlichen XPS-Untersuchungen liefern EDX-Messungen Informationen etwa zur Photooxidation innerhalb von Polymerschichten und ergänzen damit UV-Vis Untersuchungen. Im Projekt der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe von Marcus Scheele am IPTC werden Indium-Zinnoxid (ITO) Nanokristalle (NC) physikalisch, chemisch sowie elektronisch durch halbleitende organische Moleküle aneinander gekoppelt. Der Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) Mode wird dabei hauptsächlich zur Überprüfung der Teilchengröße und Teilchenfom eingesetzt. Mit dem REM ist die Gruppe so in der Lage, Größen und Größenverteilungen der ITO-NCs für die unterschiedlichen Synthesebatches zu bestimmen. Damit können aber auch die Form und die Verteilungen der Formen sowie die Ausbeuten dazu für die ITO-NCs ermittelt werden. Im STEM-Betrieb sind Schichtdicken der untersuchten nanokristallinen Filme (1-2 Monolagen) bestimmbar, dagegen können im SE-Betrieb insbesondere Struktur und Morphologie der NC-Schichten untersucht werden. Damit werden wertvolle Informationen über das Auftreten von Rissen oder andern Störungen der Struktur zugänglich, die Transporteigenschaften entscheidend beeinflussen können. Somit ist die Möglichkeit zur Nutzung des am IPTC verfügbaren, hoch auflösenden REM für die wissenschaftliche Arbeit der AG Scheele essentiell. Seit Inbetriebnahme des neuen REM wurde es von der AG Anwander (IAC) zur Charakterisierung von nanostrukturierten Materialien insbesondere bezüglich deren Morphologie/ Topologie eingesetzt. Für großporige mesopröse Silicas wie monodisperses stäbchen- und blättchenförmiges hexagonales SBA- 15 zeigte das REM-Instrument sehr gutes Auflösungsverhalten. Für mesoporöse Silica-Nanopartikel konnten Kern-Schale-artige Strukturen und Monodispersität sehr klar abgebildet werden. Von der AG Schnepf (IAC) wurde das REM für die Element- und Oberflächenanalyse von Einkristallen metalloider Clusterverbindungen des Germaniums und des Goldes genutzt. In einem Projekt der AG Mayer (IAC) wurden neue Core/Shell-Trägermaterialien entwickelt, die sich gut in HPLC Säulen packen lassen und neue Anwendungsgebiete in der Flüssigkeitschromatographie erschließen können. Für die erfolgreiche Durchführung des Projekts war das REM essentiell. Die Möglichkeit zur Bestimmung von Partikelgrößen und Größenverteilungen war für die Herstellung sphärischer, nichtporöser Silica-Partikel mit Durchmessern zwischen 0.2-2.6 µm unverzichtbar. Es ließen sich Core/Shell-Matrialien mit nichtporösen Kernen und porösen SiO2-Hüllen (Shell) mit Schichtdicken zwischen d = 10 bis 70 nm aufbauen. Der kontrollierte Aufbau aller Materialien wurde mit Hilfe von REM-Aufnahmen bestätigt.
Publications
- Coupling single quantum dots to plasmonic nanocones: optical properties, Faraday Discussions 184, 321 (2015)
A.J. Meixner, R. Jäger, S. Jäger, A. Bräuer, K. Scherzinger, J. Fulmes, S. zur Oven Krockhaus, D.A. Gollmer, D.P. Kern, M. Fleischer
(See online at https://doi.org/10.1039/C5FD00074B) - Enhancement of radiative plasmon decay by hot electron tunneling, ACS Nano 9 (8), 8176-8183, 2015
X. Wang, K. Braun, D. Zhang, H. Peisert, H. Adler, T. Chassé, A.J. Meixner
(See online at https://doi.org/10.1021/acsnano.5b02361) - Self-aligned placement and detection of quantum dots on the tips of individual conical plasmonic nanostructures, J Nanoscale 7, 14691 (2015)
J. Fulmes, R. Jäger, A. Bräuer, C. Schäfer, S. Jäger, D.A. Gollmer, A. Horrer, E. Nadler, T. Chassé, D. Zhang, A.J. Meixner, D.P. Kern, M. Fleischer
(See online at https://doi.org/10.1039/C5NR03546E) - Strong and Coherent Coupling of a Plasmonic Nanoparticle to a Subwavelength Fabry–Pérot Resonator. Nano letters 15 (7), 4423-4428, 2015
A Konrad, AM Kern, M Brecht, AJ Meixner
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b00766) - Towards Conductive Mesocrystalline Assemblies: PbS Nanocrystals Cross-Linked with Tetrathiafulvalene Dicarboxylate, Chem Mater. Chem Mater. 2015, 27 (23), 8105–8115
A. André,D. Zherebetsky, D. Hanifi, B. He, M. Samadi Khoshkhoo, M. Jankowski, T. Chassé, L.-W. Wang, F. Schreiber, A. Salleo, Y. Liu, M. Scheele
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b03821) - One-pot synthesis of micron partly hollow anisotropic dumbbell shaped silica core-shell particles, Chem. Commun. 2016, 52, 14392
J. Maisch, F. Jafarli, T. Chassé, F. Blendinger, A. Konrad, M. Metzger, AJ. Meixner, M. Brecht, L. Dähne, HA. Mayer
(See online at https://doi.org/10.1039/C6CC07372G) - Reactivity of [Ge9{Si(SiMe3)3}3]- towards transition metal M2+ cations : coordination and redox chemistry, Chem. Eur. J. 2016, 22, 18787 – 18793
O. Kysliak, C. Schrenk, A. Schnepf
(See online at https://doi.org/10.1002/chem.201603441) - Site-Specific Ligand Interactions Favor the Tetragonal Distortion of PbS Nanocrystal Superlattices, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 22526–22533
Novak, J.; Rupak, B.; Kornowski, A.; Jankowski, M.; André, A.; Weller, H.; Schreiber, F.; Scheele, M.
(See online at https://doi.org/10.1021/acsami.6b06989) - Au108S24(PPh3)16: A Highly Symmetric Nanoscale Gold Cluster Confirms the General Concept of Metalloid Clusters, 2017, 129, 402 – 406; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 393–396
S. Kenzler, C. Schrenk, A. Schnepf;
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.201609000) - Towards Photo-Switchable Transport in Quantum Dot Solids, Zeitschrift für Physikalische Chemie Zeitschrift für Physikalische Chemie 2017, 231 (1): 135–146
C. Schedel, R. Thalwitzer, M. Samadi Khoshkhoo, M. Scheele
(See online at https://doi.org/10.1515/zpch-2016-0863)
