Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at
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Einführung in die <strong>Nanoanalytik</strong><br />
Eine beson<strong>der</strong>e Herausfor<strong>der</strong>ung stellen hierarchisch<br />
strukturierte Systeme dar. Dies sind Systeme,<br />
die z.B. im Größenbereich bis zu 100 nm selbstassemblierte<br />
Strukturen aus kleinsten Einheiten bilden,<br />
und die dann durch entsprechende Manipul<strong>at</strong>ionen<br />
bzw. durch Hinzufügung größerer Aufbaustoffe in<br />
einem wesentlich größeren Maßstab stabilisiert werden.<br />
Typische Beispiele sind dafür Verbundwerkstoffe,<br />
aber auch Zellulosefasern und spezielle Wirkstoff-<br />
Transportsysteme (Liposomen, Vesikel). Wesentlich<br />
für diesen Zweig <strong>der</strong> Forschung und Entwicklung<br />
ist hier ein Methodenverbund, <strong>der</strong> es gest<strong>at</strong>tet, die<br />
Systeme auf den entsprechenden Längenskalen<br />
zu untersuchen. So ist es z.B. in fluiden Systemen<br />
notwendig, die Röntgen- und Neutronenstreuung mit<br />
<strong>der</strong> Laserlichtstreuung zu kombinieren.<br />
Eine weitere wichtige Unterscheidung betrifft<br />
auch die Frage, ob eine Substanz in ihrem ganzen<br />
Volumen („Bulk-Phase“) o<strong>der</strong> an einer dünnen<br />
Oberflächen- o<strong>der</strong> Grenzschicht charakterisiert<br />
werden muss. Beide Bereiche sind für sich wichtig,<br />
zusätzlich kommt aber auch noch <strong>der</strong> Aspekt ins<br />
Spiel, dass dünne Grenzschichten o<strong>der</strong> Oberflächenschichten<br />
aus einer fluiden Bulkphase abgeschieden<br />
werden und die Qualität bzw. Eigenschaften<br />
dieser Schichten stark vom Lösungszustand in<br />
<strong>der</strong> Bulkphase abhängen. Als weiteres Beispiel sind<br />
Phasenübergänge und kritische Phänomene zu<br />
nennen, die oft bestimmt sind durch kurzreichweitige<br />
Wechselwirkungen zwischen den nanoskopischen<br />
Bausteinen. Diese verhalten sich im Volumen<br />
an<strong>der</strong>s als in niedrig-dimensionalen Strukturen (z.B.<br />
Magnetismus an Oberflächen, in ultradünnen Filmen,<br />
in magnetischen Nanokompositen).<br />
Die für die unterschiedlichen Aggreg<strong>at</strong>zustände<br />
und Eins<strong>at</strong>zgebiete bestgeeigneten Analysemethoden<br />
sind klarerweise stark unterschiedlich. Dies ist<br />
auch mit ein Grund, warum sich diese (unterschiedlichen)<br />
Methoden an vielen verschiedenen Forschungseinheiten<br />
oft getrennt entwickelt haben.<br />
Nanoanalytische Verfahren<br />
Analytische Verfahren können grundsätzlich in<br />
zwei Klassen eingeteilt werden: zum einen solche<br />
mit integraler Inform<strong>at</strong>ion, d.h. es werden Volumina<br />
bzw. Oberflächenbereiche untersucht, die<br />
wesentlich größer sind als die interessierenden<br />
Grundstrukturen, z.B. Nanoteilchen in einer Bulkphase<br />
o<strong>der</strong> auf <strong>der</strong> Oberfläche. Vorteil ist die rasche<br />
Inform<strong>at</strong>ionsgewinnung mit hoher st<strong>at</strong>istischer Genauigkeit,<br />
z.B. über die Anordnung, Struktur o<strong>der</strong><br />
Größe von Nanoteilchen gemittelt über ein großes<br />
Ensemble, man erhält aber keine Inform<strong>at</strong>ion über<br />
die Einzelteilchen. Man weiß z.B. Bescheid über<br />
die Verunreinigung einer rel<strong>at</strong>iv großen Halbleiteroberfläche,<br />
welche Fremdmoleküle in welcher<br />
Konzentr<strong>at</strong>ion vorhanden sind, kann jedoch keine<br />
Angaben über <strong>der</strong>en Ort machen.<br />
Im Gegens<strong>at</strong>z zu den integralen Methoden können<br />
Verfahren mit Ortsauflösung eine Auskunft über<br />
die räumliche Verteilung bzw. Orientierung, Struktur<br />
und Zusammensetzung geben, sie haben aber den<br />
Nachteil, dass meist nur rel<strong>at</strong>ive kleine Bereiche in<br />
akzeptabler Zeit untersucht werden können. Diese<br />
mikroskopischen Techniken ermöglichen dafür aber<br />
eine vollständige Charakterisierung mit Nanometerauflösung<br />
und oftmals sogar mit Zehntel Nanometerauflösung.<br />
Während Rastersondentechniken<br />
die obersten Atomlagen eines Festkörpers erfassen<br />
können, gelingt es mit mo<strong>der</strong>nsten elektronenmikroskopischen<br />
Verfahren Inform<strong>at</strong>ion über die<br />
lokale Morphologie, Kristallstruktur, chemische<br />
Zusammensetzung, chemisches Bindungsverhalten<br />
und physikalische Eigenschaften zu erhalten.<br />
Diese Methoden befinden sich <strong>der</strong>zeit in intensiver<br />
Entwicklung und erlauben die Erfassung lokaler<br />
Phänomene wie z.B. von inneren Grenzflächen,<br />
Defekten, Sekundärphasen in Festkörpern und<br />
<strong>der</strong>en Wechselwirkung mit <strong>der</strong> Festkörperm<strong>at</strong>rix,<br />
dem <strong>at</strong>omistischen Aufbau von einzelnen Nanoteilchen.<br />
Diese ortsaufgelöste Inform<strong>at</strong>ion kann mit<br />
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<strong>Handbuch</strong> <strong>der</strong> <strong>Nanoanalytik</strong> <strong>Steiermark</strong> <strong>2005</strong>