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Neue Wege zur Steuerung der Nanomaterialsynthese

Screeninginstrumente, die In-line- und Echtzeitmessungen mit hoher Auflösung und bislang unerreichter Genauigkeit bieten, versprechen die Synthese von Nanopartikeln (NP) und Nanopartikel-basierten Dünnschichten zu revolutionieren.
Neue Wege zur Steuerung der Nanomaterialsynthese
Der Einsatz von Nanopartikeln mit Abmessungen bis zu 100 nm nimmt in der biomedizinischen Wirkstofffreisetzung, bei elektronischen Bauelementen und der Fertigungsindustrie kontinuierlich zu. Bei den meisten Anwendungen sind spezielle physikalische Eigenschaften erwünscht. Schlüssel zur Realisierung von Nanopartikeln mit präzise zugeschnittenen Eigenschaften ist die Fähigkeit zur Steuerung und Feinabstimmung von Form und Größe während deren Synthese.

Mit Hilfe von EU-Mitteln unternahm das Projekt SNOW CONTROL (Integrated real-time measurement platforms for nanoparticles and nanoparticle thin films) die ersten Schritte hin zu einer vollständigen Rückkopplungssteuerung der Nanopartikelschichtsynthese durch Einbindung von speziell dafür vorgesehenen Messverfahren. Insbesondere konzentrierten sich die Forscher auf die dynamischen Lichtstreuung (Dynamic Light Scattering, DLS) und die Kleinwinkelröntgenstreuung (Small-Angle X-ray Scattering, SAXS).

Die komplementären SAXS- und DLS-Verfahren wurden optimiert, um die Anforderungen einer anspruchsvollen zeitaufgelöste Überwachung von Nanopartikeln während der laufenden Synthese zu erfüllen. Zu diesem Zweck wurde die SAXS-Instrumentenleistung durch die Anwendung einer Metall-Röntgenstrahlquelle gesteigert. Das Projektteam entwickelte gleichermaßen eine innovative Faser-Remote-DLS-Sonde für In-situ-Messungen.

Die neuen Geräte wurden umfassend und separat an kommerziell verfügbaren Goldnanopartikeln bekannter Größe getestet, bevor gleichzeitige DLS- und SAXS-Messungen während der Synthese von Siliziumdioxidnanopartikel durchgeführt wurden. Das Zeta-Potential (ein Maß der Dispersion) wurde am Ende des Herstellungsprozesses überwacht, da nur dann die Stabilität des Endprodukts von Interesse ist.

Zusätzlich wurde eine zweite Plattform entwickelt, die einen lasergestützten Nanopartikel-Fluoreszenzsensor mit einem RHEED-Analysator (Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion; Reflection High-Energy Electron Diffraction) verbindet. Die Projektpartner gestalteten eine existierende Flüssigkeitseinspritzungs-/CVD-Einheit (chemische Gasphasenabscheidung) neu, die mit dem RHEED-Analysator und dem In-line-UV-Fluss-Monitor integriert wurde. Mit Hilfe des Einsatzes der Plattform gelang bereits das Züchten von Nanopartikel-basierten Siliziumdünnschichten.

SNOW CONTROL-Technologie für In-line-Messungen wird das gegenwärtig fehlende Verbindungsglied in der Herstellungskette für Nanopartikel und Nanopartikel-basierte Dünnschichten schaffen. Mit der Überwachung des Syntheseprozesses in Echtzeit könnte bei Bedarf auf Feedback eingegangen werden, um eine standardisierte und wiederholbare Qualität zu gewährleisten, die optimale Leistungsfähigkeit innerhalb eines breiten Spektrums von Anwendungen ermöglichen wird. Schauen Sie sich dazu das Projektvideo an.

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Schlüsselwörter

Nanopartikel, Dünnschichten, SNOW CONTROL, dynamische Lichtstreuung, Kleinwinkelröntgenstreuung
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