Gruppenleiterin

Prof. Dr. Christina Scheu
Christina Scheu
Gruppenleiter
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Raum: 1014

Nanoanalytik und Grenzflächen

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Nanoanalytik und Grenzflächen

Der Schwerpunkt der unabhängigen Forschungsgruppe „Nanoanalytik und Grenzflächen“ liegt auf der hochauflösenden strukturellen und chemischen Analyse neuer nanostrukturierter Materialien und Grenzflächen mit Hilfe der Elektronenmikroskopie. Insbesondere die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und ihre analytischen Methoden wie die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) kommen zum Einsatz. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse werden Wachstumsmodelle für Nanostrukturen aufgestellt und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufgeklärt. Des Weiteren werden Strategien entwickelt, um die Eigenschaften zu verbessern und die Stabilität der Materialien zu erhöhen. Die Einsatzgebiete der Materialien reichen dabei von Solar-, Brennstoff- bis hin zu elektrochemischen Zellen. Zudem werden dünne Filme für Metallisierungen und Schutzschichten erforscht.

Der stetig ansteigende Energieverbrauch und die Ressourcenerschöpfung fossiler Brennstoffe erfordert die Erforschung alternativer, kostengünstiger und umweltverträglicher Materialien für die Energie- und Brennstoffgewinnung. Hierfür eignen sich diverse nanostrukturierte Materialien. Diese können als Träger von Katalysatoren verwendet werden, als Elektrodenmaterial Einsatz finden oder als aktive Schicht dienen. Häufig werden mehrere Materialien kombiniert, wobei die auftretenden Grenzflächen der Schlüssel für die beobachteten Eigenschaften sind. Unsere Forschungsgruppe hat es sich zum Ziel gemacht, die Struktur und die chemische Zusammensetzung von Grenzflächen zu bestimmen sowie Defekte in nanostrukturierten Materialien aufzuklären und mit den Eigenschaften (u.a. optische, elektrische und chemische) zu verknüpfen.

Die Nanostrukturen werden zum Teil mittels nasschemischer Syntheserouten in der Gruppe selbst hergestellt, zum Teil aus Kooperationen erhalten. Als wichtigste Untersuchungsmethode kommt die Elektronenmikroskopie, insbesondere die Transmissions­elektronenmikroskopie (TEM) zum Einsatz. Mit Hilfe von hochauflösenden Abbildungen (HRTEM) und Z-Kontrast-Aufnahmen (Z steht für die Ordnungszahl) im Raster-TEM (STEM) werden die atomare Anordnung und die Kristallstruktur bestimmt. Da die Stabilität von nanostrukturierten Materialien eine große Rolle spielt, werden auch dynamische Prozesse untersucht. So werden zum Beispiel Phasenumwandlungen und Diffusionsvorgänge bis hin zur atomaren Skala mit in-situ TEM Heizexperimenten beobachtet. Neben Hellfeld- und Dunkelfeld-Aufnahmen wird die Morphologie von Nanostrukturen mittels Elektronen­tomographie ermittelt. Analytische TEM Messungen wie energie-dispersive Röntgen­spektros­kopie (EDX) und Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) werden verwendet, um die chemische Zusammensetzung von nm-großen Partikeln und Körnern zu bestimmen bzw. um Segregationseffekte an Grenzflächen zu untersuchen. Die EELS Messungen werden außerdem dazu genutzt, Einblicke in die elektronische Struktur (Bindungsverhältnisse, Bandlücke) zu erhalten. Dazu wird u.a. die Nahkantenfeinstruktur (ELNES), die mit jeder Absorptionskante verknüpft ist, analysiert. Meist wird eine Kombination der verschiedenen Methoden verwendet, um die gewünschten Informationen zu erhalten.

Die gewonnen Erkenntnisse werden mit den Synthese- und Wachstumsbedingungen sowie den Eigenschaften (u.a. optische, elektrische, chemische) verknüpft. Daraus werden dann Konzepte entwickelt, um die Eigenschaften zu modifizieren und das Degradationsverhalten zu verbessern bzw. die Stabilität zu erhöhen. Die untersuchten Materialsysteme reichen von Oxiden, Nitriden, Carbiden, Sulfiden, bis hin zu Polymeren und Kompositen und finden Anwendung in der Photovoltaik, in Brennstoffzellen und in der Photokatalyse. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf dünnen Filmen, welche als Kontakt- und Schutzschichten im Einsatz sind.

 
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