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Moderne Oberflächenanalytik

Will man bestimmte Eigenschaften einer Oberfläche genauer untersuchen, so kann man dies mit geeigneten Analysemethoden der Oberflächenanalytik tun. Am Beginn der Oberflächenanalyse ist es wichtig, die richtige analytische Frage zu formulieren. Welche Eigenschaften der Oberfläche sollen bestimmt werden? Welche Tiefeninformation ist dafür erforderlich? Welche Tiefenauflösung ist für meine Fragestellung von Interesse? Welche laterale Auflösung ist für die Oberflächenanalytik erforderlich?

Wofür Oberflächenanalytik genutzt wird

Da es im Labor für Oberflächenanalytik vornehmlich um die Oberflächenchemie und die Oberflächenmorphologie geht, stellen sich bezüglich der Probe und der Zielanalyten oftmals folgende Fragen:

  • Was befindet sich auf meiner Probe?
  • Wo befindet sich die Zielsubstanz auf meiner Probe?
  • Wie viel von der Zielsubstanz ist auf/in meiner Probe vorhanden?

Was einfach klingt, kann sich durchaus komplex darstellen. Es kann sich bei den Zielanalyten um Nanopartikel, Moleküle, Atome oder Ionen handeln. Diese können sich in den äußersten atomaren Lagen befinden, sie können in einem Volumen konzentriert sein oder gleichmäßig in einer Schicht oder einem Volumen verteilt sein. In den meisten Fällen spielt auch die Menge oder die Konzentration des Zielanalyten eine wesentliche Rolle für die Oberflächeneigenschaft der Probe.

Bei der Auswahl der analytischen Technik im Labor für Oberflächenanalytik muss die jeweilige Technik in der Lage sein, die entsprechende Frage in einer zufriedenstellenden Weise zuverlässig zu beantworten.

Wie funktioniert Oberflächenanalytik

Oberflächenanalytik funktioniert nach dem Prinzip von Frage und Antwort. Um eine analytische Antwort von der Oberfläche zu bekommen, wird die Oberfläche befragt, indem sie mit Teilchen angeregt wird. Dazu kann die Oberfläche zum Beispiel mit Atomen, Ionen, Elektronen oder Photonen beschossen werden. Die Oberfläche selbst wird mit der Emission von Atomen, Ionen, Elektronen oder Photonen antworten. Je nach dem, welchen Teil der Antwort man untersucht (Beispiel: Ionenart oder Ionenenergie, Elektronenenergie, Wellenlänge der Photonen, UV-Licht oder Röntgenquanten), bekommt man unterschiedliche Informationen über die Oberflächeneigenschaften. Für ein ganzes Bild der Oberfläche müssen im Labor oft mehrere Oberflächenanalysetechniken kombiniert werden.

Die einzelnen Techniken im Labor für Oberflächenanalyse liefern verschiedene Informationen über die Oberfläche. Einige bieten vor allem physikalische Informationen, dienen also einer physikalischen Analyse. Andere liefern vor allem chemische Informationen. Wichtig bei der Bewertung der Informationen ist dabei auch die Informationstiefe der jeweiligen Analysetechnik. Manchmal ist nur die erste Atomlage für eine gewünschte oder störende Oberflächeneigenschaft verantwortlich (Beispiel: Katalyse, Atomic Layer Deposition-Schichten (ALD), Kathodenmaterial für Batterien und Brennstoffzellen), manchmal dagegen sind es mehrere Nanometer oder Mikrometer (Beispiel: Reflektoren, Displays, OLEDs, Halbleiter, Photomasken). Für eine Technik, die sehr tief in das Material schaut, ist womöglich die erste atomare Lage schlicht unsichtbar, weil die Oberflächenanalysetechnik einfach hindurch schaut. Im entgegengesetzten Fall ist es so, dass eine Technik zu oberflächenempfindlich sein kann und so eine Analyse des Materialvolumens (Bulkanalyse) nicht möglich ist. Noch wieder eine andere Technik der Oberflächenanalytik im Labor sieht zwar tief in die Probe hinein, erkennt aber nicht die Schichtabfolge. Sie kann nicht zwischen einer homogenen Mischung und einem Schichtaufbau unterscheiden. Die nächste Technik im Labor kann die Schichtabfolge im Sinne eines Tiefenprofils mit hoher Tiefenauflösung auflösen. Doch kann sie das auch gleichzeitig mit hoher Lateralauflösung? Dann hätten wir im Ergebnis eine chemische 3D-Oberflächenanalyse. Interessiert uns die Lateralauflösung an dieser Stelle nicht weiter, so kommen wiederum andere Oberflächenanalysetechniken des Labors in Frage, die andere herausragende Eigenschaften besitzen.

Tascon – Ihr neuer Partner für Oberflächenanalytik

Viele bringen mit Oberflächenanalytik zunächst Methoden in Verbindung, die vor allem eine hohe Lateralauflösung aufweisen, z.B. die Rasterelektronenmikroskopie (REM-EDX) oder die Rasterkraftmikroskopie (AFM, SFM). Einige Verfahren der Oberflächenanalytik haben eine Lateralauflösung bis hinunter in den atomaren Bereich. Die Verfahren können also einzelne Atome darstellen. Das ist hilfreich bei Strukturaufklärungen in der Oberflächenanalytik, in der Kristallographie und in einigen Aspekten der Festkörperphysik. Chemische Informationen liefern diese Methoden in der Regel nur bedingt. Labormethoden, die chemische Informationen der Strukturzusammensetzung liefern, haben oft eine geringere Lateralauflösung. Im Labor für Oberflächenanalytik ist also immer eine Abwägung der Erfordernisse wichtig. Oder anders gesagt, nicht jede Technik in der Oberflächenanalyse liefert die Antwort auf die anfangs gestellte analytische Frage. Die eingesetzte Analysetechnik muss an die Fragestellung angepasst werden. Oftmals ist auch eine Kombination von Analysemethoden erforderlich. Darüber hinaus ist es nützlich zu wissen, welche Probendetails eine gewählte Technik nicht detektieren kann. Hierzu fragt man am besten ein akkreditiertes Prüflabor für Oberflächenanalytik. Das geprüfte und kompetente Personal dort kann am besten einschätzen, welche Aspekte der Oberfläche zusätzlich eine Rolle spielen könnten und welche Bereiche der Oberfläche mit anderen Methoden der Oberflächenanalytik noch genauer betrachtet werden sollten. Sollten Sie Fragen zur Analyse von Oberflächen haben, nehmen Sie einfach Kontakt zu Tascon auf.

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