Spektroskopische Untersuchung der Versinterung von Nanopartikeln

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Wriedt
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 220123415

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer onlinefähigen Messtechnik zur Bestimmung des Grades der Versinterung von Aggregaten basierend auf spektralen Messungen. Simulative Untersuchungen an Dimeren aus Silber, Gold, TiN (Titannitrid) und ITO (Indium Tin Oxide) haben ergeben, dass unterschiedlich stark ausgeprägte Sinterhälse zu unterschiedlichen spektralen Verläufen des gestreuten Lichts führen. Eine Erweiterung dieser Simulationsrechnungen auf Aggregate bzw. Cluster ergab, dass es zu Abweichungen zwischen den Ergebnissen der von der eigenen Arbeitsgruppe entwickelten Nullfield Method with Discrete Sources (NFM-DS) und der zu Vergleichsrechnungen eingesetzten Discrete Dipole Approximation (DDA) kommt. Daraufhin angestellte weitere Vergleiche mit anderen, etablierten Mehrfachstreu-Simulationsprogrammen von Mackowski und Xu, die wie die NFM-DS auf einem T-Matrix Ansatz basieren, zeigten vergleichbare Ergebnisse wie bei der NFM-DS. Jedoch führte dann eine Variation der Entwicklungstiefe bei den T-Matrix basierten Programmen zu reproduzierbaren Divergenzen. Diese numerische Instabilität bei T-Matrix basierten Mehrfachstreu-Programmen, die nur bei metallischen Primärpartikeln auftritt, war der wissenschaftlichen Community in dieser Form bisher nicht bekannt. Abschließende Klarheit ergaben weitere Vergleichsrechnungen mit einem Boundary Element Method basierten Programm; diese zeigten, dass DDA richtige Ergebnisse liefert. Nach Absprache mit der Arbeitsgruppe, die entsprechende Aggregate aus Nanopartikeln mittels Flamm-Reaktor im Haus herstellen kann, wurde dann ITO als Material für intensivere Untersuchungen ausgewählt. Hierfür wurden umfangreiche Simulationsrechnungen für unterschiedliche Sinterzustände angestellt. Zur Erzeugung der Aggregate dienten auf PC (Particle-Cluster) und CC (Cluster-Cluster) basierende Algorithmen von Filippov. Es zeigte sich, dass sich auch hier das Streuspektrum von ITO signifikant mit der Ausprägung des Sinterhalses verändert. Dies stützt die diesem Antrag zu Grunde liegende Arbeitsthese. Ferner konnte anhand der simulierten Spektren ein Ansatz für ein vereinfachtes Messverfahren propagiert werden. Bei diesem ’Spectral Neck Factor (SNF)’ wird bei zwei vorgegebenen Wellenlängen die Intenistät gemessen und zueinander ins Verhältnis gesetzt. Daraus könnte ein kostengünstiges und schnelles Online-Verfahren für praktische Messungen entwickelt werden. Die bei ITO berechneten spektralen Effekte treten im nahen Infrarotbereich (NIR) auf. Eine Grundlage für eine Messung zur experimentellen Überprüfung der theoretisch berechneten Spektren wurde durch die Anschaffung eines geeigneten NIR-Spektrometers und einer entsprechenden Lichtquelle (Tungsten Halogen) geschaffen. Durch die oben beschriebenen Verzögerungen bei den simulativen Untersuchungen haben sich auch die Messungen verzögert; eine Veröffentlichung der Ergebnisse steht noch aus.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Influence of sintering necks on the spectral behaviour of ITO clusters using the Discrete Dipole Approximation. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer (2015)
  K. Skorupski K, J. Hellmers, W. Feng, J. Mroczka, T. Wriedt, L. Mädler
  (Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt.2015.02.021)
• Applicability of T-matrix light scattering simulations for the spectral investigation of sintered nanoparticles. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 123:53-61 2013
  J. Hellmers, T. Wriedt
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2012.12.018)
• Introduction of a Spectral Neck Factor to estimate the size of particle connections in ITO aggregates. In: T. Wriedt und Y. Eremin (Hrsg.), Scattering by Aggregates on Surfaces, 2014, 44-47, epubli
  K. Skorupski, J. Hellmers, T. Wriedt
  
• Influence of sinter necks on the spectral behaviour of ITO aggregates. In: F.R.A. Onofri, B. Stout (Hrsg.) Laser-light and Interactions with Particles (LIP2014), 2014, NR-2.1-NR-2.3
  T. Wriedt, J. Hellmers, K. Skorupski, J. Mroczka
  
• Light scattering by two spherical particles and its dependence on interparticle distance. In: T. Wriedt und Y. Eremin (Hrsg.), Scattering by Aggregates on Surfaces, 2014, 36-42, epubli
  W. Feng, J. Hellmers, V. Schmidt, L. Mädler, T. Wriedt