Analytik auf dem neuesten Stand der Technik ist essenziell für exzellente natur- und ingenieurwissenschaftliche Forschung. Doch übersteigen die notwendigen Kosten oft das Budget einzelner Arbeitsgruppen. Das vom Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) initiierte und koordinierte Gerätezentrum ICAN ermöglicht es Forschern aus unterschiedlichen Fachrichtungen sowie Kooperationspartnern aus der Industrie, hochmoderne Methoden und Geräte zur Analyse und Charakterisierung ihrer Proben zu nutzen.

Nanostrukturierte Funktionsmaterialien haben ein großes Potenzial in vielen technischen Bereichen. Durch gezielte Modifikationen bis in den atomaren Bereich hinein und durch neue Materialkombinationen ist es möglich, ihre Funktionalitäten gezielt zu verändern und ungewöhnliche Eigenschaftskombinationen einzustellen. Naturgemäß erfordert dieser Forschungsansatz einen umfangreichen Methodenpool, um die so erzeugten Materialien zu charakterisieren und zu analysieren. Insbesondere die durchgängige Analyse der Zwischenprodukte entlang der gesamten Prozesskette ist hier unverzichtbar. Neben spektroskopischen, mikroskopischen und beugungsbasierten Techniken zur strukturellen Analyse sind auch Charakterisierungsverfahren zur Untersuchung der Zieleigenschaften erforderlich.

Nanomaterialien – insbesondere hybride Nanopartikel, poröse Materialien und hierarchisch aufgebaute Nanomaterialien – zeigen Material- und Strukturänderungen vom Mikrometer- bis in den Nanometerbereich. Inhomogenitäten und Defekte auf allen Längenskalen können die Eigenschaften von Schichten und Volumenkörpern, die aus Nanomaterialien aufgebaut sind, maßgeblich beeinflussen. Umgekehrt können Wissenschaftler Eigenschaften optimieren, indem sie Materialien gezielt im Mikrometer- oder Nanometerbereich strukturieren. Vor diesem Hintergrund bildet das Mikroskopiezentrum des NanoEnergieTechnikZentrums an der UDE den zentralen Schwerpunkt von ICAN. Hier gibt es speziell ausgerüstete Labors, in denen hochauflösende Mikroskopietechniken – mechanisch, thermisch und elektromagnetisch abgeschirmt von störenden Einflüssen – optimal eingesetzt werden können.

Die Großgeräte (siehe Infobox) bieten jeweils einzigartige Möglichkeiten in der Oberflächen- und Nanoanalytik. Doch viele analytische Fragestellungen lassen sich erst durch Kombination der zueinander komplementären Techniken beantworten. ICAN bietet daher den entscheidenden Vorteil, all diese Geräte in einem zentralen Labor zu bündeln. „Es wurde sogar eine maßgeschneiderte, tragbare Vakuumkammer entwickelt, mit der wir Proben von der Herstellung zur Analytik und zwischen verschiedenen Analyse-Anlagen transferieren können, ohne dass diese durch Lufteinwirkung beeinträchtigt würden“, erläutert Professor Axel Lorke, wissenschaftlicher Direktor von ICAN.

Als von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) anerkanntes Gerätezentrum sorgt ICAN für einen effizienten Zugang zu den Geräten im Mikroskopiezentrum. Neue Nutzer, die regelmäßig Messungen durchführen wollen, erhalten eine Einweisung von spezialisierten wissenschaftlichen Mitarbeitern. Erfahrene Nutzer, die über eine entsprechende fachliche Eignung verfügen, können anschließend über ein Portal Messzeiten buchen und die Messungen selbst durchführen. Alternativ nimmt ICAN auch Auftragsarbeiten entgegen, berät bei der Auswahl der Technik(en) und hilft auf Wunsch dabei, die Daten auszuwerten und die Ergebnisse zu interpretieren. Ziel ist es immer, die am besten geeigneten Charakterisierungsverfahren auszuwählen, um die jeweilige Fragestellung umfassend zu beantworten. Die Messdaten können lokal gesichert und direkt nach der Messung im Rechnerpool ausgewertet werden. Für industrielle Auftraggeber sind Vorkehrungen getroffen, um Vertraulichkeit zu gewährleisten.

Die DFG unterstützt den Aufbau solch professioneller Strukturen für zentrale Geräteparks in wissenschaftlichen Einrichtungen. „International wettbewerbsfähig auf höchstmöglichem Niveau“, heißt es im neuesten Gutachten der DFG zu ICAN. Das Gerätezentrum wird daher zunächst bis 2020 mit weiteren 380.000 Euro gefördert.

Technologiebereich:

• Nanotechnologie
• Oberflächenchemie
• Mikroskopie
• Analytik

Standort:
Duisburg (Universität Duisburg Essen, Campus Duisburg)

Unterstützungsangebot:
Beratung bei der Wahl der optimalen Analysetechnik, Service- oder Nutzerbetrieb, Beratung und Begleitung bei der Datenauswertung und -interpretation, kundennahe Auftragsabwicklung

Ausstattung und Services für Unternehmen:

• Hochauflösendes, aberrationskorrigiertes Transmissions-Elektronenmikroskop (Cs-korrigiertes TEM)
• Mikrofokus-Röntgen-Photoelektronen-Spektrometer (Mikrofokus-XPS)
• Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer (TOF-SIMS)
• Raster-Auger-Elektronenmikroskop (SAM)
• Rasterkraftmikroskop/Rastersondenmikroskop (AFM/SPM)

Besonderheiten:
Anerkanntes DFG-Gerätezentrum („DFG Core Facility“)

Abbildung 1: Ein Raster-Auger-Elektronenmikroskop (SAM) verbindet die Techniken der Rasterelektronen-Mikroskopie (SEM) und der Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES). Es ermöglicht sowohl SEM-Aufnahmen als auch 2D-Karten der chemischen Zusammensetzung einer Oberfläche mit einer lateralen Auflösung von ca. 7nm. (© ICAN)

Abbildung 2: Hochaufgelöste Messungen mit einem Rasterkraftmikroskop an synthetisch hergestellten Peptiden. Ergänzend zur Messung der Topographie liefern weitere Signale wie der Phasenkontrast im Tapping Mode zusätzliche Informationen, die zur Strukturaufklärung der Peptidstränge beitragen. (© UDE, AG Schmuck).

Abbildung 3: HAADF-STEM-Aufnahme eines Aluminium-Cobalt-
Nickel-Quasikristalls. Jeder weiße Punkt steht für eine einzelne Atomsäule, die man von oben betrachtet. (© ICAN)