ACRInnovationsradar 2015

Aktuelle Technologietrends für KMU

Produkte, Prozesse,Werkstoffe

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Inhalt

Einleitung................................................................................................................................................. 5

Zerstörende Werkstoffprüfung bei Raum-, Tief- und Hochtemperatur ................................................. 7

Impulsthermographie............................................................................................................................ 11

TriboDesign............................................................................................................................................ 15

Neues Infrarotmikroskop ...................................................................................................................... 17

Rasterkraftmikroskopie ......................................................................................................................... 19

Dual Beam Processing ........................................................................................................................... 21

Materialanalytik mit atomarer Auflösung............................................................................................. 23

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Einleitung

Wie interessant ein Land als Wirtschaftsstandort ist, hängt von vielen Faktoren ab.

Ein wesentlicher ist die Forschung. Um weltweit wettbewerbsfähig zu bleiben und auf

dem Standort Österreich dem internationalen Konkurrenzdruck zu begegnen, entwi-

ckeln österreichische Firmen immer neue anspruchsvollere Materialien und Material-

verbunde. Die damit verbundenen und permanent wachsenden Anforderungen an

die führenden Forschungseinrichtungen in Österreich verlangen eine stetige Aktuali-

sierung der verfügbaren Dienstleistungen. Deshalb hat sich der Dachverband der

kooperativen Forschungsinstitute ACR das Ziel gesetzt, neue und innovative Ent-

wicklungen im Forschungsbereich so rasch wie möglich im Rahmen des Innovations-

radars einem interessierten Publikum aus KMU, Industrie und Forschung zur Verfü-

gung zu stellen. Im Folgenden sind die im letzten Jahr erfolgten Erweiterungen ein-

zelner ACR-Institute im Bereich Materialprüfung und Fehler beziehungsweise Scha-

densanalytik kurz vorgestellt.

Koordination: Julian Wagner, ZFE

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Zerstörende Werkstoffprüfung bei Raum-, Tief- und HochtemperaturAutor: Gerhard Schindelbacher, ÖGIDurch belastungsangepasste Bauteilgestaltungen nach dem Vorbild der Natur (Bio-

nik) und Finite Elemente Berechnungen kann das Potenzial von Werkstoffen besser

genutzt werden. Dafür werden exakte Kenntnisse über die mechanischen Eigen-

schaften der Werkstoffe über einen weiten Temperaturbereich benötigt. Zur Ermitt-

lung dieser Werkstoffkennwerte unter anwendungsnahen Bedingungen werden ge-

normte Prüfverfahren eingesetzt. Da sich die realen Bedingungen jedoch von den

Prüfbedingungen unterscheiden und die Bauteilgeometrie eine entscheidenden Ein-

fluss auf das Bauteilverhalten ausübt, kann eine Prüfung an kompletten Bauteilen

oder Bauteilgruppen erforderlich sein.

Die zerstörende oder auch mechanische Werkstoffprüfung wird prinzipiell in zwei Ka-

tegorien eingeteilt: Festigkeitsprüfung bei ruhender Beanspruchung (statische Prü-

fung) und Festigkeitsprüfung bei nicht ruhender Beanspruchung (dynamische Prü-

fung). Bei beiden Verfahren wird der Werkstoff bis zum Erreichen einer gewissen

Verformung bzw. bis zur Zerstörung beansprucht.

Zu den statischen Prüfverfahren zählen z.B. die Zug- und die Härteprüfung. Die wir-

kenden Kräfte sowie Verformungen werden vom unbelasteten Zustand bis zur

Höchstlast gemessen, wobei deren Übertragung langsam und gleichmäßig erfolgt.

Bei den dynamischen Prüfverfahren kann die Belastung schlagartig auftreten oder

sich über einen längeren Zeitraum periodisch innerhalb definierter Grenzen ändern.

Hierzu zählen der Kerbschlagbiege-, der Dauerschwing- und der Umlaufbiegewech-

selversuch.

Der Zugversuch ist das wichtigste Verfahren der mechanischen Werkstoffprüfung

und dient der Ermittlung des Werkstoffverhaltens unter einachsiger, über dem Quer-

schnitt gleichmäßig verteilter Zugbeanspruchung. Dazu wird eine Probe mit genorm-

ter Geometrie biegungsfrei einer langsamen, stetig zunehmenden Dehnung unter-

worfen, bis der Bruch eintritt. Als wesentliche Werkstoffkenngrößen können damit die

Zugfestigkeit, die Streckgrenze bzw. 0,2-Prozent-Dehngrenze, die Bruchdehnung

und Brucheinschnürung sowie der Elastizitätsmodul ermittelt werden. Durch eine ge-

eignete Ausstattung der Prüfmaschine mit Temperierkammer oder Ofen bzw. indukti-

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ver Probenerwärmung können die Kennwerte über einen sehr weiten Temperaturbe-

reich – von Tief- bis Hochtemperatur – ermittelt werden.

Eine einfache Methode, die Verschleißfestigkeit eines Werkstoffes charakterisierend,

ist die Härteprüfung. Als Härte eines Werkstoffes wird der Widerstand des Gefüges

gegen das Eindringen eines härteren Prüfkörpers definiert. Je nach verwendetem

Eindringkörper wird zwischen Brinell, Vickers und Rockwell unterschieden.

Bei allen Verfahren wird ein Eindringkörper mit bestimmter Kraft in das Werkstück

eingedrückt. Am entstehenden Eindruck bzw. an der Eindringtiefe wird ein Messwert

abgelesen und daraus der Härtewert berechnet. Härteprüfungen werden, weil ein-

fach durchzuführen und trotzdem aussagekräftig, sehr häufig zur Qualitätskontrolle

eingesetzt.

Im Vergleich mit stetiger Beanspruchung kann sich der Werkstoff bei plötzlich eintre-

tenden schlagartigen Lasten ganz anders verhalten. Der Kerbschlagbiegeversuch

untersucht daher das Bruchverhalten des Materials bei schlagartiger Beanspruchung.

Dieser wird nicht nur bei Raumtemperatur durchgeführt, sondern innerhalb eines

Temperaturbereichs von -196°C bis 1000°C, wodurch Rückschlüsse auf bruchme-

chanischen Zähigkeitskenngrößen wie Kerbschlagarbeit bzw. Kerbschlagzähigkeit

(Spröd-Duktil-Übergangstemperatur) gezogen werden können.

Zumeist sind Bauteile nicht nur statisch sondern auch dynamisch wechselnden Be-

lastungen ausgesetzt. Um die Dauerfestigkeit, also die Widerstandskraft gegenüber

schwingender Belastung zu ermitteln, werden Kennwerte mittels Dauerschwing- bzw.

Umlaufbiegewechselversuch ermittelt.

Werden die Spannungen, unter denen die Proben versagen, über der Nennlastspiel-

zahl aufgetragen, erhält man eine Wöhlerkurve. Anhand dieses Diagramms können

die Zeitfestigkeit – das ist die Anzahl der Belastungszyklen, die ein Werkstoff bei ge-

gebener Belastung erträgt – sowie die Dauerfestigkeit – das ist die maximale Belas-

tung, die ein Werkstoff beliebig oft (auf Dauer) ohne Bruch und ohne unzulässige

Verformung erträgt – dargestellt werden.

Alle genannten zerstörenden Werkstoffprüfverfahren sind in einschlägigen Normen

sowohl hinsichtlich Prüfablauf als auch Probengeometrie geregelt.

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Abbildung 1: Hochfrequenz-Resonanzprüfmaschinen zur Ermittlung dynamischer Werkstoffkennwerte (Abbildung:ÖGI)

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ImpulsthermographieAutor: Heinz Basalka, SZAMit der steigenden Leistungsfähigkeit von Infrarotkamerasystemen erweitern sich

laufend die Einsatzmöglichkeiten der Impulsthermographie in der zerstörungsfreien

Prüfung. Als berührungsloses, schnelles und zerstörungsfreies Messverfahren hat

die Impulsthermografie bei metallischen Werkstoffen großes Potenzial.

Parameterstudien lassen die Bestimmung der Detektionsgrenze bei Fehlerprüfungen

zu und ergeben, dass die Fehlerdetektion auch bei Aluminium für bereits verfügbare

Kameratechnik kein unüberwindbares Hindernis darstellt.

Die Fehlerprüfung von metallischen Werkstoffen stand bisher vor dem Problem der

schnell ablaufenden Ausgleichsvorgänge, die mit den verfügbaren Kameras oft nicht

ausreichend erfasst werden konnten. Mit fallenden Anschaffungskosten und steigen-

dem Leistungsvermögen (höhere Auflösung und Aufnahmegeschwindigkeit) der Inf-

rarotkameras gewinnt dieses Verfahren an Bedeutung. Eine erfolgreiche Fehler-

prüfung mittels Impulsthermografie ist von mehreren Einflussfaktoren abhängig. Zu

diesen zählen die Kameraauflösung, Bildfrequenz, Anregungsenergie, Anregungs-

dauer, Defektbeschaffenheit und die Materialeigenschaften des zu untersuchenden

Objektes. Zur Vorhersage der Machbarkeit einer Prüfaufgabe ist die Kenntnis der

Wechselwirkung zwischen Einfluss- und Zielgrößen, beispielsweise Anregungsener-

gie und Temperaturkontrast, wesentlich.

Üblicherweise werden diese Zusammenhänge aus Parameterstudien abgeleitet, de-

ren reale Durchführung aus Kostengründen jedoch nicht praktikabel ist. Abhilfe

schafft hier die Methode der Finiten-Elemente, die eine systematische Untersuchung

der Abhängigkeiten erlaubt. Ausgehend von Simulationen kann auf die generelle

Machbarkeit geschlossen bzw. die Voraussetzungen ermittelt werden, die eine De-

tektion der Fehler ermöglichen.

Die Impulsthermografie als Vertreter der aktiven Thermografie bedarf einer Anre-

gungsquelle zur Erzeugung eines Wärmeflusses. Die Fehlerstelle verursacht eine

Veränderung des Wärmeflusses und damit einen Abdruck in der Oberflächentempe-

ratur. Wirkt die Fehlerstelle hemmend auf den Wärmefluss kommt es an der Anre-

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gungsseite zu einem beschleunigten und an der gegenüberliegenden Seite zu einem

verzögerten Temperaturanstieg.

Die Simulation hat das Ziel, Aussagen über die generelle Machbarkeit und damit

über Grenzen und Möglichkeiten der Detektion zu erlauben. Störende Einflüsse, die

sich aus einer speziellen Prüfsituation ergeben, werden idealisiert, um die Allgemein-

gültigkeit der Simulationsergebnisse zu gewährleisten.

Die Simulation liefert Ergebnisse, die unter idealen Bedingungen möglich wären und

Schlüsse auf die generelle Machbarkeit erlauben. Dem erfahrenen Thermografen ist

es möglich, aus den idealisierten Simulationsergebnissen – unter Berücksichtigung

der realen Störeinflüsse – die Anforderungen an die Prüfstand-Hardware festzule-

gen.

Abbildung 2: Bildfolge einer Impulsthermografiemessung bei einem Kugeleinschluss und bei einem Anbindungs-fehler im Überlappstoß (Abbildung: SZA)

Ein grundlegendes Verständnis der wechselseitigen Beziehungen aller Modellpara-

meter in Bezug auf die Zielgrößen wird erst durch vollfaktorielle Parameterstudien

möglich. Zu diesem Zweck werden alle sinnvollen Kombinationen der Modellparame-

ter gebildet und mit Hilfe der Simulation die Zielgrößen berechnet.

Die Auswertung der Daten erfolgt mit speziellen Softwaretools, die mehrdimensionale

Darstellungs- und Analysemethoden zur Verfügung stellen. Eine der möglichen Ana-

lysenmöglichkeiten ist die Verwendung des Softwarepakets „Visplore“. In diesem

können vomBenutzer mehrere Zielgrößenkombinationen ausgewählt werden, die

eine Minimalanforderung erfüllen. Auf Basis der durchgeführten Parameterstudien

können die Grenzbedingungen der Fehlerprüfung für die Materialien Stahl und Alu-

minium ermittelt werden. Im Vergleich zu Stahl stellt Aluminium höhere Anforderun-

gen an den Messaufbau. Die Analysen ergeben jedoch, dass die Fehlerdetektion bei

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Aluminium zwar eine Herausforderung darstellt, aber für bereits verfügbare Kamera-

technik unter Einschränkungen machbar ist.

Durch die Analyse der Parameter, die bei der impulsthermografischen Messung Ein-

fluss nehmen, ergeben sich Simulationsmodelle zur Durchführung von Machbarkeits-

studien. Die Parameterstudien erlauben weiters die Bestimmung der Detektionsgren-

zen bei der Fehlerprüfung von Stahl sowie Aluminium und bilden die Basis zur Aus-

wahl der Prüfstand-Hardware. Anhand der Auswertungen wird ersichtlich, dass mit

bereits verfügbaren Kameras eine Fehlerdetektion auch bei Aluminium kein unüber-

windbares Hindernis darstellt.

Eine möglichst große Flexibilität der Simulationsergebnisse wird durch Idealisierung

real auftretender Störfaktoren erreicht. Die korrekte Interpretation der Simulationser-

gebnisse in Bezug auf die jeweilige reale Prüfsituation ist daher durch Thermografie-

experten vorzunehmen.

Der „TinNDT Viewer“ dient zur Visualisierung und Analyse dieser mehrdimensionalen

Parameterstudien. Für den Benutzer werden dadurch die Simulationsergebnisse der

untersuchten Fehlertypen durch eine Benutzeroberfläche zugänglich gemacht. Er

ermöglicht eine Beurteilung mit welcher Anregungsquelle, örtlicher und zeitlicher Auf-

lösung der Thermographiekamera bestimmte Fehlertypen und -größen mit hoher

Wahrscheinlichkeit detektierbar sind.

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TriboDesignReibung und Verschleiß minimieren – Laserinduzierte Riffel/Wellen imSubmikrometerbereichAutor: Alexander Diem, V-ResearchImmer dann, wenn sich Körper relativ zueinander bewegen, kommt die Tribologie,

die Disziplin um Reibung, Verschleiß und Schmierungstechnik, ins Spiel. Sei es beim

Gehen, wenn sich die Schuhsohle am Boden abrollt, beim Schreiben mit Kreide oder

eben in Maschinenbauteilen wie z. B. Gleit- oder Wälzlager. Manchmal sind hohe

Reibwerte gewünscht, wie auf Bodenbelägen, meist jedoch sollen die Reibkräfte so

gering wie möglich gehalten werden, um die Reibungsverluste in Maschinen und An-

lagen zu minimieren. Hinter dieser Bestrebung steckt enormes Potenzial: Durch Rei-

bung und dem damit verbundenen Verschleiß entstehen den Volkswirtschaften der

Industrieländer jährliche Verluste in der Höhe von etwa 5 Prozent des Bruttosozial-

produktes, das bedeutet allein für Österreich 16 Mrd. Euro. Wiederum jedes Prozent,

das davon vermieden werden kann, würde jährlich 160 Mio. Euro an geringerem

Energie- und Rohstoffeinsatz bedeuten. V-Research aus Dornbirn unterstützt v.a.

kleinere und mittlere Unternehmen dabei, bei ihren Produkten dieses Potenzial aus-

zunutzen. So vielfältig wie die Themenbereiche sind, in denen tribologische Phäno-

mene funktionsbestimmend sind, so mannigfaltig sind die Kundenprojekte und Lö-

sungen, die bei V-Research be- und erarbeitet werden. So konnte im Rahmen eines

strategischen Projektes eine Oberflächenstrukturform gefunden werden, welche die

gewünschte, reibungsreduzierende Funktion aufweist.

Es ist seit längerem bekannt, dass sogenannt Dimples positive tribologische Eigen-

schaften haben können – sie fungieren als Schmierstoffreservoirs oder als „Falle“ für

abrasiv wirkende Partikel im Tribokontakt. Dimples können aber nicht generell einge-

setzt werden, da sie meist nur in engen Grenzen, in Bezug auf beispielsweise Flä-

chenpressung oder Gleitgeschwindigkeit, funktionieren. In diesem Fall ist es

V-Research gelungen, eine andere Strukturform zu finden, welche unter Bedingun-

gen funktioniert, unter denen die Dimples keine Verbesserung der Reibungs- oder

Verschleißeigenschaften gebracht haben.

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Es handelt sich dabei um eine Topographieveränderung mittels Ultrakurzpulslaser.

Ultrakurzpulslaser haben im Gegensatz zu anderen Lasern die Eigenschaft, dass sie

aufgrund ihrer kurzen Pulsdauer (300 Femtosekunden) keinen Wärmeeintrag in der

bearbeiteten Oberfläche verursachen. Das Material wird direkt sublimiert (Abbil-

dung 3). Dadurch bleiben die ursprünglichen Werkstoffeigenschaften erhalten und es

kommt zu keinem Aufweichen gehärteter Werkstücke. Die Ripplestruktur selbst ist

nur ein µm hoch und besitzt eine Periode im Bereich von ca. 700 nm.

Abbildung 3: Bei der Oberflächenbearbeitung mit einem Ultrakurzpulslaser gibt es keine Wärmeeintragszone(Abbildung: V-Research)

Diese Laserripples können auf beinahe beliebigen Werkstoffen erzeugt werden und

haben in geschmierten Systemen in Kombination mit Polymerbeschichtungen (soge-

nannten Gleitlacken) ausgezeichnete Ergebnisse hinsichtlich Reibungsreduktion ge-

zeigt. Im Vergleich zur ursprünglichen Oberfläche (42CrMo4 gehärtet, gleitgeschliffen

Rz = 1 µm) konnte so der Reibwert um ein Drittel gesenkt werden.

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Neues InfrarotmikroskopBruker Hyperion 3000 mit Tensor 27 SpektrometerAutor: Boril Chernev, ZFEUm neue und wichtige Erkenntnisse über die Eigenschaften von organischen Materi-

alien, wie etwa Kunststoffen oder Biomaterialien gewinnen zu können, wurde die Inf-

rarotmikroskopie in den letzten Jahren deutlich verbessert.

Im Rahmen des Infrastrukturprogramms der ACR für den Schwerpunkt „Produkte,

Prozesse, Werkstoffe“ konnte im Jahre 2013 ein neues Infrarot (IR) Imaging Mikro-

skop angeschafft werden.

Dieses Gerät verbindet die analytischen Fähigkeiten der Infrarotspektroskopie mit

einem Lichtmikroskop. Damit können einzelne kleine Probenbereiche chemisch iden-

tifiziert und bildgebend ausgewertet werden. Es ermöglicht zum Beispiel die Charak-

terisierung eines Mikrotomschnitts oder der Oberfläche einer Probe mit einer außer-

gewöhnlich hohen Messempfindlichkeit und einer lateralen Auflösung von

ca. 1-10 µm, abhängig von der Aufnahmetechnik und dem Spektralbereich.

Derartige hochauflösende IR-Analysetechniken sind sowohl für die Überprüfung von

neuen Werkstoffen (zusammengesetzt aus teilweise sehr dünnen funktionellen

Schichten – Abbildung 4) als auch für die Untersuchung von Fehlstellen in unter-

schiedlichsten Produkten (Folien, Papiere, Fensterprofile, elektronische Bauteile etc.)

sehr hilfreich.

Wichtige Anwendungen liegen im Bereich der Material- und Schadensanalytik, vor

allem bei Polymeren (z.B. Stippen), bei Solarzellen, Sensoren, Verbund-, Klebe-, Be-

schichtungs- und Biomaterialien, aber auch in der Halbleiterindustrie zur Identifizie-

rung von Verunreinigungen auf Siliziumwafern.

Diese neue Forschungsanlage steht allen interessierten universitären und außeruni-

versitären Forschungseinrichtungen, aber auch Industriepartnern zur Verfügung.

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Abbildung 4: Folie einer Frischkäseverpackung: Einbettmittel (rot), Polypropylen Typ 1 (dunkelgrün), Polypropy-len Typ 2 (blau), Polyamid Typ 1 (orange), Polyamid Typ 2 (hellblau), Polyamid Typ 3 (gelb), Einbettmittel (grün)(Abbildung: ZFE)

46750 46800 46850 46900WTA X-Achse [µm]

25660

25680

25700

25720

Y-Ac

hse

[µm

]

BACKGROUND

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RasterkraftmikroskopieAutor: Harald Plank, ZFEFür die lateral aufgelöste Visualisierung von Oberflächenmorphologien können auch

Profilometer und verschiedene Rasterkraftmikroskopie-basierte Methoden verwendet

werden.

Während erstere Technik eine schnelle Bestimmung von Rauheiten entlang Linien-

profilien ermöglicht, erweitert die Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy –

AFM) diese Informationen mit lateral aufgelösten Informationen bis hin in den kleinen

Nanometerbereich. Diese Methode arbeitet mit einer feinen Spitze, welche in sehr

kleinen Schritten über die Oberfläche geführt wird, und damit ein dreidimensionales

Abbild von Oberflächen erstellen kann, wie in Abbildung 5a dargestellt.

Der enorme Vorteil dieser Technik liegt jedoch in der Zugänglichkeit erweiterter Ma-

terialinformationen wie beispielsweise die lateral aufgelöste Detektion unterschiedli-

cher Materialien, welche in reinen Höheninformationen oft nicht ersichtlich sind. Ab-

bildung 5 zeigt die Höheninformation eines Polymergemisches (b), welches nass-

chemisch präpariert wurde, in Kombination mit der erweiterten Materialinformation

(c), welche einerseits eine Entmischung und andererseits Lösungsmittelreste visuali-

sieren kann.

Außerdem ist es möglich, magnetische, chemische, mechanische, elektrostatische

oder optische Informationen zu erlangen. Darüber hinaus sind Untersuchungen in

flüssiger Umgebung möglich, welche beispielsweise für biologische Anwendungen

unerlässlich sind.

Neueste Entwicklungen im AFM Sektor erlauben auch Hochgeschwindigkeitsunter-

suchungen mit Bildraten bis zu einer Sekunde und darunter ohne die laterale Nano-

meter-Auflösung zu verlieren (siehe Abbildung 5c). Dadurch werden Echtzeituntersu-

chungen ermöglicht, wie beispielsweise biologische Aktivitäten, Swelling oder elekt-

rochemische Prozesse. Zusammen mit dem meist zerstörungsfreien Charakter, bie-

ten AFM basierte Methoden eine ideale Plattform für statische und/oder dynamische

Oberflächenuntersuchungen mit lateral aufgelösten Eigenschaftsinformationen.

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Abbildung 5: (a) dreidimensionale Abbildung einer funktionalen Oberflächenstruktur mit räumlicher Nanometerauf-lösung, (b) korrelierte Höhen- und (c) Material-Informationen eines nasschemisch präparierten Polymergemi-sches, (d) und (e) Einzelenzyme in flüssiger Umgebung auf einer Zellulose Oberfläche (Abbildung: ZFE)

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Dual Beam ProcessingAutor: Harald Plank, ZFEEine enorm vielseitige Erweiterung zu den Rasterelektronenmikroskopen (Scanning

Electron Microscope – SEM) sind sogenannte Zweistrahlmikroskope, welche über

einen zusätzlichen voll integrierten Ionenstrahl verfügen. Dabei wird ein sehr fein fo-

kussierter Ionenstrahl (Focused Ion Beam – FIB) verwendet, welcher sehr genau ge-

steuert werden kann. Durch die hohe Masse der Ionen ist es möglich, Material von

jeglichen Oberflächen exakt zu entfernen.

In Kombination mit SEM-basierten Analysemöglichkeiten (energiedispersive Rönt-

genspektrometrie – EDX) ist es möglich, die Proben nicht nur an der Oberfläche son-

dern auch in die Tiefe zu analysieren, wie in Abbildung 6a dargestellt. Eine sequenti-

elle Prozessierung von Materialentfernung (FIB) und analytischer Charakterisierung

(EDX) ermöglicht darüber hinaus die Erstellung von dreidimensionalen Rekonstrukti-

onen, wie in Abbildung 6b dargestellt. Damit lassen sich räumliche Strukturen und

deren Verteilung inklusive chemischer Details darstellen.

Neben diesen Charakterisierungsanwendungen ermöglichen FIB Anlagen auch die

Herstellung von funktionellen dreidimensionalen Nanostrukturen.

Neueste Entwicklungen ermöglichen auch erstmals die Strukturierung von niedrig-

schmelzenden Materialien (z.B. Polymeren). Abbildungen 6c und 6d zeigt den Fort-

schritt im Bereich der Polymerstrukturierung, welcher erst durch die neuen Proze-

duren ermöglicht wird.

Diesbezügliche Anwendungsgebiete erstrecken sich von funktionellen Morphologien

(z.B. Mikrofluidik) über plasmonische Anwendungen bis hin zur chemischen Oberflä-

chenmodifikation mittels zusätzlich eingeleiteten Gasen (z.B. Fluor basierte Moleküle

für lokale Oberflächen-Hydrophobisierungen).

Die Vielseitigkeit dieser Zweistrahlmikroskope bezüglich Strukturierung, Modifikation

und Analytik ermöglichen einen weiten Bereich der Anwendung und repräsentieren

somit eine essentielle Plattform für Forschung und Entwicklung bis hin zur Qualitäts-

sicherung.

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Abbildung 6: (a) und (b) SEM Bild und chemische Rekonstruktion einer Keramik, (c) FIB prozessierten PMMAOberfläche, welche durch klassische Prozeduren morphologisch und chemisch zerstört wird, (d) am ZFE entwi-ckeltes neues Verfahren bei gleichen FIB Parametern und Prozesszeiten, welche die Destabilisierung minimiertund somit neue Anwendungsgebiete im Bereich niedrigschmelzender Materialien eröffnet (Abbildung: ZFE)

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Materialanalytik mit atomarer AuflösungAutor: Ferdinand Hofer, ZFEMit dem Aufbau des „Austrian Scanning Transmission Electron Microscope“

(ASTEM) steht der österreichischen Forschung eines der weltbesten Elektronenmik-

roskope zur Verfügung (Abbildung 7). Das ASTEM ermöglicht die Charakterisierung

nanoskaliger Strukturen in Materialien, Werkstoffen und Bauelementen – einschließ-

lich ihrer Kristallographie und chemischen Zusammensetzung sowie ihrer physikali-

schen Eigenschaften – bis in atomare Dimensionen.

Abbildung 7: Austrian Scanning Transmission Electron Microscope (ASTEM) (Abbildung: ZFE)

Da das Mikroskop mit einer speziellen Elektronenoptik für die Korrektur des Öff-

nungsfehlers ausgerüstet ist, kann ein extrem fein gebündelter Elektronenstrahl von

einem halben Atomdurchmesser (0,07 Nanometer) über die Probe geführt werden.

Die Elektronen werden auf 300.000 Volt beschleunigt, und bei der Wechselwirkung

mit den Atomen in der Probe entstehen gestreute Elektronen und Röntgenstrahlung,

die Informationen über den atomaren Aufbau des Materials bzw. Werkstoffs liefern.

Das Mikroskop wird bisher vor allem für die Erforschung von Korngrenzen, Grenzflä-

chen und Defekten in Werkstoffen, Keramiken, Legierungen, Stählen und elektroni-

schen Bauelementen eingesetzt. Neueste Forschungsarbeiten zeigen, dass das

ASTEM auch für die Analytik von Nanoteilchen und Biomaterialien große Vorteile

liefert. Eine typische Anwendung wird in Abbildung 8 beschrieben. Ein Zinkoxid-

Nanodraht wurde mit Indium dotiert, und das hochaufgelöste STEM-Bild zeigt, dass

sich die Indium Atome im Zinkoxid-Kristall linienförmig anordnen.

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Abbildung 8: hochaufgelöstes STEM-Bild eines Zinkoxid Nanodrahtes, der mit Indium dotiert wurde; Zink-Atomebzw. Atomsäulen sind grau (blau) und die Indium-Atomsäulen erscheinen hell (grün); dazwischen sitzen die Sau-erstoff-Atome (in dieser Abbildung nicht sichtbar) (Abbildung: ZFE)