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„Nanoanalytik in der Stahlindustrie - Modeerscheinung oder Basis für gezieltes Schichtdesign?“Arbeitsgruppe des Autors

Tamara Appel

Was bedeutet der Begriff Nano (griechisch für Zwerg), der diese immense Aufmerksamkeit in der heutigen Forschung erlangt? Die Definitionen sind uneinheitlich, beschreiben aber chemische Strukturen im Sub-Mikrometerbereich mit größenabhängigen Eigenschaften, deren Zusammensetzung und Erscheinung variiert (Bild 1). Wo liegt das Innovationspotential der Nanotechnologie bei Flachstahlprodukten? Bei einem Flachstahlprodukt, welches im Vergleich zur Gesamtmasse einen großen Oberflächenanteil besitzt, dominieren die Eigenschaften, die über Grenzflächen beschrieben werden. So beginnt die Welt des Nano nicht erst bei Quantendots, Nanotubes oder der Halbleiterindustrie. Entwicklungen zur Funktionalisierung von Metalloberflächen spielen sich heute wie gestern in den Größenordnungen des Nano ab. Mit Hilfe der Nanotechnik werden funktionelle Eigenschaften von Werkstoffen durch gezieltes Beeinflussen von Materie im Nanometerbereich und das Ausnutzen neuer Phänomene und Eigenschaften maßgeschneidert. Stellvertretend seien die Stichworte Easy-to-clean-, Anti-Fingerprint-Beschichtungen, Kratzfestigkeit, selbstreinigende und korrosionsfreie Oberflächen genannt.

Abbildung 1: Von der Makro zur Nanowelt

Obwohl sie schon in der Vergangenheit weniger bewusst denn mehr phänomenologisch untersucht wurden, werden heute die neuen Konzepte auf molekularen Größenordnungen beschrieben. Die analytische Herausforderung besteht in der Unterstützung zum Design neuer Schichten, im verbesserten Verständnis der auf molekularer Ebene ablaufenden Prozesse. Der gezielte Vorstoß in die Nanowelt wird unterstützt durch den Einsatz moderner Analyse- und Messtechniken.
Der konsequente Fortschritt der örtlichen Auflösung dieser Analyse- und Messtechniken führte schließlich zu Instrumenten, die in der Lage sind, Details mit Abmessungen weit unterhalb der Lichtwellenlänge zu zeigen: Das Elektronenmikroskop, die Rastersondenmikroskope. Heute ist man in der Lage, mit diesen Mikroskopen einzelne Moleküle, ja unter Umständen sogar einzelne Atome abzubilden. Eine dieser Techniken ist die Rasterkraftmikroskopie (AFM).
Die an einem sogenannten Cantilever positionierte inerte Nadelspitze rastert die Oberfläche der Probe zeilenförmig ab. Ihre Auslenkung wird mittels Laserstrahl in ein topografisches Oberflächenbild umgewandelt. In Abb. 2 ist der schematische Aufbau nebst elektronenmikroskopischer Aufnahme dargestellt.

Abbildung 2: Prinzip der AFM mit REM-Darstellung einer Si-Spitze

Mittels AFM können Informationen über: - die 3-dimensionale Darstellung der Oberfläche
- die lokale mechanische Eigenschaften von Werkstoffen
- die Qualitative Bestimmung von Elastizität und Härte bis 50 nm lateral möglich
- die Bestimmung magnetischer Domänen erhalten werden.
Die Technik hat ihren Ursprung in der Halbleiterindustrie, sie findet jedoch Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen. Ungewöhnliche, aber interessante Applikationen können auch in Bereichen, wie der Stahlindustrie gezeigt werden. Die größte Problematik hierbei ist die untersuchte Oberfläche bezogen auf die produzierte Menge. Bild 3 veranschaulicht dieses deutlich:

Abbildung 3: Feinblechoberfläche in einem produzierten Coil

Stahloberflächen werden heute häufig veredelt, da die Eigenschaften nicht ausschließlich durch seine integrale Zusammensetzung, sondern auch durch die Beschaffenheit seiner Oberflächen definiert werden. Für den Bereich der Stahlindustrie gilt dies besonders. So werden die geforderten Eigenschaften durch geeignete Überzüge erreicht. Die AFM kann in der Entwicklung neuartiger Schichtsysteme und Werkstoffeigenschaften einen wesentlichen Beitrag leisten.
So kann durch den Einsatz der Rasterkraftmikroskopie beispielhaft das Aufwachsen von dünnen, organischen Plasmapolymerfilmen auf elektrolytisch verzinktem Feinblech wie in Bild 4 gezeigt untersucht werden.

Abbildung 4: Feinblechoberfläche in einem produzierten Coil

Bild 4: Schichtwachstum eines Plasmapolymers dargestellt mittels AFM,
a) vor der Beschichtung auf elektrolytisch verzinktem Feinblech und
b) nach der Beschichtung mit einem Plasmapolymer
Die Untersuchung des Wachstumsverhalten an Plasmapolymeren zeigt in wie weit sich ein geschlossener Film bildet und das Substrat konform überdeckt wird. So wird z.B. die Korrosionsneigung oder die Benetzbarkeit durch die konforme Abscheidung positiv beeinflusst. Neben der rein topografischen Aussage sind Schichteigenschaften ebenfalls direkt zugänglich. Verwendet man statt eines wie in der Abb. 2 dargestellten Si-Cantilevers eine Diamant-Spitze mit bekannter Geometrie, so können Härteeindrücke mit sehr geringen Kräften im µN-Bereich durchgeführt werden. Mit dieser Art der Härtemessung können mechanische Eigenschaften dieser dünnen Schichten und Strukturen bestimmt werden.

Abbildung 5: Indents und Scratch in eine Plasmapolymeroberfläche

Fazit:

Für die Werkstoffentwicklung muß in zunehmendem Maße lokale Analytik eingesetzt werden, die Aussagen über kleinste Dimensionen im nm-Bereich trifft. Die Aussage verallgemeinert in diesem Fall über mehr als acht Größenordnungen. Das setzt aber voraus, dass der Werkstoff in seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften sehr gut bekannt ist. Dann können Messergebnisse auf der nm-Skala mit makroskopischen Eigenschaften erfolgreich korreliert werden.


Kontakt:
  • Dr. Tamara Appel
    ThyssenKrupp Stahl AG
    Werkstoffkompetenzzentrum
    Eberhardstr. 12
    44145 Dortmund