Ziel ist die Entwicklung von neuen Analysenverfahren, welche eine schnelle, nicht-invasive und simultane Bestimmung von physiko-chemischen Materialeigenschaften erlauben. Dabei kommen Infrarot- (IR), Raman- und Laser Induced Breakdown (LIBS) Methoden bevorzugt zum Einsatz. Besonderes Augenmerk wird auf die Anwendbarkeit der Methoden für die Routine gelegt, so zum Beispiel durch die Etablierung von portablen Messsystemen.
Schwingungsspektroskopie
Die Schwingungsspektroskopie, insbesondere die Infrarot- (IR), Nah-Infrarot- (NIR) und Raman-Spektroskopie, ist eine zentrale Methode zur Charakterisierung chemischer und physikalischer Materialeigenschaften. Diese Techniken liefern molekulare Fingerabdrücke und ermöglichen die Analyse von Zusammensetzung, Struktur und Wechselwirkungen in Materialien.
1. Chemische Materialeigenschaften
Die Schwingungsspektroskopie eignet sich zur Untersuchung chemischer Bindungen, funktioneller Gruppen und molekularer Wechselwirkungen.
Beispiele und Anwendungen:
- Funktionelle Gruppen:
- IR- und Raman-Spektroskopie ermöglichen die Identifikation funktioneller Gruppen wie C-H, O-H, C=O und N-H durch charakteristische Banden.
- Anwendungen: Polymerchemie (Bestimmung von Vernetzungsgraden), organische Synthese (Überprüfung von Reaktionsprodukten). - Molekulare Wechselwirkungen:
- NIR kann Wasserstoffbrückenbindungen und Hydratationszustände analysieren.
- Anwendungen: Feuchtigkeitsanalyse - Reaktionsmechanismen und Kinetik:
- Echtzeitmessungen mit Raman oder IR erlauben das Monitoring chemischer Reaktionen.
- Anwendungen: Katalyse, Batterieforschung, Polymerisation. - Komposition und Reinheit:
- Mit der Schwingungsspektroskopie können Mischungen und Verunreinigungen erkannt werden.
2. Physikalische Materialeigenschaften
Neben der chemischen Zusammensetzung liefert die Schwingungsspektroskopie Informationen über physikalische Eigenschaften wie Kristallinität, Spannungen oder Materialdefekte.
Beispiele und Anwendungen:
- Kristallinität und Amorphizität:
- Raman kann kristalline und amorphe Phasen unterscheiden.
- Anwendungen: Polymere, Keramiken, Halbleitermaterialien. - Phasenübergänge:
- Temperaturabhängige Spektren zeigen Änderungen in der Molekularstruktur, z. B. beim Schmelzen oder Glasübergang.
- Anwendungen: Thermoplasten, Metalloxide, Batteriematerialien. - Spannungen und Defekte:
- Raman erkennt mechanische Spannungen und Defekte in Festkörpern (z. B. Graphen, Halbleiter).
- Anwendungen: Mikroelektronik, optische Komponenten. - Oberflächen- und Schichtcharakterisierung:
- IR-ATR (Attenuated Total Reflectance) und Raman können Oberflächenfunktionalisierungen und Schichtdicken analysieren.
- Anwendungen: Dünnschichttechnologie, Schutzbeschichtungen.
3. Vorteile der Schwingungsspektroskopie
- Zerstörungsfrei: Erhaltung der Materialstruktur und -eigenschaften.
- Schnelligkeit: Schnelle Analyse ohne aufwändige Probenvorbereitung.
- Flexibilität: Untersuchung von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen.
- Kombination mit anderen Methoden: Integration in Mikroskopie (Raman-Mikroskopie) oder Thermoanalyse.
4. Beispiele in der Praxis
- Polymere:
- Chemisch: Analyse von Monomerzusammensetzung und Vernetzungsgrad.
- Physikalisch: Untersuchung der Kristallinität und Phasenseparation. - Halbleiter:
- Chemisch: Nachweis von Dotierungselementen.
- Physikalisch: Analyse von Gitterspannungen und Defekten. - Biomaterialien:
Chemisch: Bestimmung von Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten.
Physikalisch: Feuchtigkeitsgehalt und Materialstruktur.
Fazit
Die Schwingungsspektroskopie ist ein vielseitiges Werkzeug zur umfassenden Charakterisierung chemischer und physikalischer Materialeigenschaften. Ihre Anwendung reicht von der Grundlagenforschung bis zur industriellen Qualitätskontrolle und bietet detaillierte Einblicke in die Struktur und Funktion von Materialien.