Quantifizierung leichter Elemente in fortschrittlichen Materialien wie Graphenoxid mit Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) für die zuverlässige Qualitätssicherung insbesondere in kleinen und mittleren Unternehmen
Blick ins Rasterelektronenmikroskop ausgestattet mit einem Energiedispersiven Röntgenspektrometer zur Quantifizierung von den leichten Elementen in Graphenoxid.
Fortschrittliche Materialien (Advanced Materials) gelten als wesentlich für „die Stärkung der europäischen Wettbewerbsfähigkeit, die strategische Autonomie Europas und die Umsetzung des Green Deals“. Die zuverlässige Charakterisierung dieser Materialien ist eine Voraussetzung für ihre Entwicklung und Kommerzialisierung. Dabei zählt die Bestimmung der Elementzusammensetzung zu den wichtigsten Parametern. Eine besondere Herausforderung stellt die Analyse leichter Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Fluor in Graphen und verwandten kohlenstoffbasierten zweidimensionalen (2D-) Materialien dar. Diese bestehen aus nur wenigen Atomlagen und zeichnen sich durch hervorragende elektrische, optische und mechanische Eigenschaften aus.
Daher werden zahlreiche Anwendungen in wichtigen Zukunftstechnologien wie der Optoelektronik, Sensorik und Energiespeicherung untersucht, aber auch in etablierten Anwendungsfeldern, beispielsweise als Additive in Farben oder als Bestandteile von Verbundwerkstoffen für Fahrzeuge, Flugzeuge und Windkraftanlagen.
Bislang wurde die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) allgemein als Methode der Wahl für die Elementanalyse solcher Materialien empfohlen. Diese Technik erfordert jedoch kostspielige Instrumentierung sowie ein hohes Maß an Fachwissen. Entsprechende Analysen können in der Regel nur in hochspezialisierten Prüflaboratorien durchgeführt werden.
In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit zeigte die BAM, dass leichte Elemente mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) quantitativ bestimmt werden können. Diese Methode ist üblicherweise an Rasterelektronenmikroskopen verfügbar und wird traditionell für die Analyse schwerer Elemente, insbesondere von Metallen, eingesetzt. Der technologische Fortschritt hat zu kompakteren und kostengünstigeren Geräten geführt, wodurch sich EDS auch in kleineren Laboratorien für die Qualitätskontrolle etabliert hat.
Mit dem neu entwickelten Arbeitsablauf können kleine und mittlere Unternehmen die Elementzusammensetzung von Graphen und verwandten 2D-Materialien zuverlässig und quantitativ bestimmen und damit die Qualität und Sicherheit ihrer Produkte gewährleisten. Dabei spielen insbesondere Start-ups, in den frühen Phasen der Kommerzialisierung für Graphen und anderer fortschrittliche Materialien eine wichtige Rolle. Die Entwicklung praxistauglicher analytischer Arbeitsabläufe stärkt ihre Marktposition und unterstützt die Einführung fortschrittlicher Materialtechnologien.
Standardized Elemental Composition Analysis of Graphene-Related 2D Materials (GR2M) With SEM/EDS and XPS Works Reliably
Paul Mrkwitschka, Mario Sahre, Elena Corrao, Francesco Pellegrino, Beatriz Alonso, Amaia Zurutuza, Jörg Radnik, Vasile-Dan Hodoroaba
Small: Volume 22, Issue 25
Die BAM ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde
im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.
