To bliver ét med 3-D NanoChemiscope

3D NanoChemiscope er et mirakel af state-of-the-art analyseteknologi. Som en videreudvikling af velkendte mikroskopiske og massespektroskopiske metoder, den kortlægger de fysiske og kemiske overflader af materialer ned til atomniveau. Dette instrument, som er enestående i verden, leverer ikke kun billeder i høj opløsning; den ved også, hvad den "ser".

Hvad har en pingvin og overfladen af ​​en solcelle til fælles? Ikke meget indrømmer Empa-fysikeren Laetitia Bernard. Alligevel må hun have smilet, da mens du behandler et billede af en polymerblanding, der er nødvendig for at producere en ny type organisk solcelle, på et vist tidspunkt kunne hun tydeligere og tydeligere se omridset af en pingvin. En lille detalje i den komplekse verden af ​​højtydende mikroskopi.

3D nanokemiskopet, som blev udviklet hos Empa, kortlægger ikke kun prøver med nanometerpræcision, men kan for første gang også give præcis information om, hvilke kemiske grundstoffer der er arrangeret hvor i en prøve. Dette muliggør både mekaniske egenskaber, såsom hårdhed, elasticitet eller friktion, og overfladers kemiske egenskaber skal bestemmes samtidigt i tre dimensioner. I tilfælde af "pingvin"-billedet, det betyder, at 3D NanoChemiscope ikke kun fanger omridset af "pingvinen", men detekterer også hvilke polymerer der er placeret ved dens "næb", ved dets "øje" og "omkring" det. Ved at bruge denne analyseteknik, solcelleforskerne er i stand til effektivt at kontrollere deres materialers mekanismer og tilpasse sammensætningen eller koncentrationen af ​​deres polymerblanding derefter. Dette muliggør nye strukturer og fører derfor til, at der skabes bedre ydeevne af solcellen.

Scanningskraftmikroskop og avanceret massespektrometer

Denne analyse er muliggjort af 3D NanoChemiscope, som kombinerer to tidligere uafhængige teknikker. Scanningskraftmikroskopet (SFM) scanner overfladen med en ultrafin spids, mens time-of-flight sekundære ion massespektrometer (ToF-SIMS) bestemmer materialesammensætningen af ​​det første overflade monolag ved at "skyde" metalliske ioner mod det.

Indtil nu, for at studere både de kemiske og fysiske egenskaber af overflader, det var nødvendigt at analysere prøven i to forskellige instrumenter. Imidlertid, når prøven transporteres fra det ene instrument til det andet, der var altid fare for forurening eller oxidation. Ud over, det var praktisk talt umuligt at finde den nøjagtige placering, der blev scannet af SFM igen. Hvad, derfor, kunne være mere passende end at "kombinere" de to instrumenter? I et fireårigt projekt sponsoreret af EU, projektleder Laetitia Bernard, sammen med Empa-forskere og partnere fra den akademiske verden og industrien, har udført et minutiøst arbejde med at udvikle et nyt instrument, hvor en SFM og en ToF-SIMS placeres i et ultrahøjt vakuumkammer så tæt på hinanden som muligt.

Mikroskopeksperterne har også udstyret 3D NanoChemiscope med et nyt transportsystem udviklet internt, som bruger piezomotorer til at flytte prøven forsigtigt frem og tilbage på spor belagt med et diamantlignende carbonlag (DLC). Prøveholderen kan bevæge sig langs fem akser, gør det muligt at analysere det sted, der undersøges, fra enhver vinkel.

Efter dets opførelse, prototypen – et monster lavet af skinnende aluminium 1 meter langt, 70 centimeter bred og 1,7 meter høj – har været i drift hos projektpartner ION-TOF GmbH i Münster, Tyskland, hvor det bliver brugt af industrielle kunder og forskningspartnere. Konstruktionen af ​​flere instrumenter er planlagt, kunder, der har udtrykt stor interesse og er parate til at betale beløb over en million schweizerfranc.