Neue Referenzmaterialien für die org. Tiefenprofilanalyse

Aufgrund der kommerziellen Verfügbarkeit neuer Techniken zur organischen Tiefenprofilanalyse (z.B. Ar1000 Gas Cluster Ionenstrahlen) ist es nun möglich organische Multischichtsysteme unter Erhalt des organischen Moleküls zu analysieren. Um zuverlässige Informationen über chemische Tiefenverteilung organischer Verbindungen zu erhalten, werden organische Referenzmaterialien, vor allem mit scharfen Grenzschichten und dünnen Zwischenschichten in bekannter Tiefe, für die Entwicklung, Optimierung und Validierung analytischer Methoden benötigt. Aufgrund des kontrollierten Schichtaufbaus von "Self Assembled Monolayer (SAM) und "Metal Organic Framework (MOF)" wird erwartet, dass diese den geforderten Ansprüchen entsprechen. F&E sowie Qualitätskontrolle in modernen Anwendungen organischer Schichtsysteme wie molekulare Elektronik, organische Photovoltaik und Biosensoren sind auf zuverlässige Methoden der organischen Tiefenprofilierung angewiesen. Das Ziel dieses Projektes ist die Charakterisierung der Ober- und Grenzfläche organischer Schichtsysteme mittels oberflächenanalytischen Verfahren wie Flugzeit Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und niederenergetische Ionenstreuspektroskopie (LEIS). Des Weiteren sollen SAMs und MOFs auf ihre Eignung als potentielle neue organische Referenzmaterialien für die Etablierung zuverlässiger Methoden der organischen Tiefenprofilanalyse untersucht werden.

Die Motivation für das vorliegende Forschungsvorhaben ist der Bedarf an neuen organischen Referenzmaterialien für die klassischen Methoden der Oberflächenanalytik, wie Flugzeit- Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) als analytische Methode der Elektronenmikroskopie (SEM). Die zunehmende wissenschaftliche und industrielle Bedeutung dünner organischer Schichtsysteme, die z.B. in Sensoren, Photovoltaik, Leuchtdioden oder organischer Elektronik im Allgemeinen vorkommen, führte zur Entwicklung von nanostrukturierten Bauteilen in einem sogenannten von unten nach oben (bottom-up) Konzept. Die Oberfläche und Grenzfläche solcher Bauteile sind von entscheidender Bedeutung: einerseits bestimmen sie viele Eigenschaften und andererseits beeinflussen sie deren Leistungsfähigkeit. Es besteht daher eine Notwendigkeit für zuverlässige, gültige und genaue Analysemethoden zu sorgen, um ein tieferes Verständnis der chemischen Zusammensetzung solcher Schichtsysteme und deren Grenzflächen zu erhalten. Um eine hohe Qualität der Messergebnisse zu gewährleisten, sind Referenzmaterialien (RM) unbedingt erforderlich. Bedauerlicherweise ist die Anzahl an zertifizierten Referenzmaterialien (CRM) sehr begrenzt und verfügbare CRMs basieren zum Großteil auf anorganischen Reinstoffen. Im Laufe des Projektes war es möglich ionische Flüssigkeiten (das sind organisch-anorganische Salze, die bei Raumtemperatur flüssig sind) als Multielement-RM zu entwickeln: (i) Für die Kalibrierung und regelmäßige Funktionskontrolle energiedispersiver Spektrometer nach ISO 15632:2012 Das betrifft im Besonderen die Leichtelementanalytik im heiklen Bereich unter 1 keV. (ii) Für die Bestimmung der Transmissionsfunktion bei Röntgenphotoelektronen-spektrometern nach ISO 15470:2004 zur Verbesserung der Quantifizierungsgenauigkeit von Messsignalen im Bindungsenergiebereich von 150 bis 750 eV. Das betrifft im Besonderen die Forschung und Entwicklung von (bio)organischen Oberflächen. Die Verwendung ionischer Flüssigkeiten als RM besticht vor allem durch deren einfache Handhabung sowie deren Zeit- und Kosteneffizienz. Ein mehr grundlagenorientiertes Forschungsthema ergab sich aus dem Ziel ein organisches Dünnschicht-RM, basierend auf Selbstorganisation, zu entwickeln. Im Zuge dessen wurde eine analytische Methode zur Prozess- und Qualitätskontrolle von nanoskaligen Schichtsystemen entwickelt. Dabei konnte der Entstehungsmechanismus von selbstassemblierenden organischen Monolagen verfolgt und in weiterer Folge die minimal benötigten Reaktionszeiten bis zur Bildung einer geschlossenen und damit qualitativ hochwertigen Monolage festgelegt werden.Die Forschungstätigkeiten innerhalb dieses Projektes haben einen maßgeblichen Einfluss auf die in ISO/TC 201 (Mikrostrahlanalyse) und ISO/TC 202 (chemische Oberflächenanalyse) genannten Industriebereiche wie z.B. Nanotechnologie (Weltmarkt 2010 ~700 Mrd US$), Halbleiter, Stahl, Implantat-Werkstoffe und Keramiken, sowie organische Dünnschichttechnologien wie organische Elektronik im Allgemeinen, medizinische Sensoren und Beschichtungen. Die im Wesentlichen zu erwartenden Vorteile von ISO/TC 201 und 202 sind industrielle Innovationen durch Bereitstellung von grundlegenden analytischen Standards sowie die Erweiterung von Handelsbeziehungen bzw. der Abbau von Handelsbeschränkungen durch Bereitstellung von zuverlässigen Standards für das Qualitätsmanagement.