Energie induzierte Nanopartikel-Substrat-Wechselwirkungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Claudia Pacholski; Professor Dr. Carsten Ronning
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398200705

Etablierte Synthesemethoden für Nanopartikel arbeiten oft nahe oder sogar im thermodynamischen Gleichgewicht und werden durch Löslichkeitsgrenzen oder Oberflächenrekonstruktionen begrenzt. Eine Alternative ist die Modifikation von Nanopartikeln durch Energieeinwirkung in spezifischen Umgebungen, um neue Nanostrukturen mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu generieren. Darüber hinaus: die Funktionalität von Nanopartikeln wird durch die auftretenden Wechselwirkungen mit spezifischen Umgebungen und / oder Trägermaterialien unter Energieeinwirkung bestimmt! Somit sind die Evolution und Reaktionen an Grenzflächen, insbesondere zwischen Nanopartikeln und Trägermaterial, von großer Bedeutung. Verschiedene chemische und physikalische Prozesse finden dabei auf unterschiedlichen Skalen statt: z.B. chemische Reaktionen treten nur auf atomaren Skalen auf, thermische Einwirkungen führen zur Bildung von Grenzflächenlegierungen, und Prozesse wie Ioneneinschläge führen zu einer ballistischen Vermischung von Atomen. Obwohl einige Aspekte bereits untersucht wurden, wurde bisher kein einheitliches und konsistentes Bild aller beteiligten Prozesse formuliert. Die Identifizierung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden in den Nanopartikel-Substrat-Wechselwirkungen, die durch physikalischen und/oder chemischen Energieeintrag in bestimmten Umgebungen induziert werden, würde die Entwicklung neuer Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften fördern und auch ihre Funktionalität entdecken.Genau dieser Herausforderung wollen wir uns stellen. Wir wollen die generellen Auswirkungen des chemischen und physikalischen Energieeintrages auf die Wechselwirkung zwischen metallischen Nanopartikeln und Si-basierten Substratmaterialien identifizieren, um ein tiefes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse zu erhalten. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir spezifische Metall-Nanopartikel synthetisieren und die Einwirkung durch (a) Wärme, (b) Ionenbestrahlung und (c) chemische Reaktionen parallel studieren. Nanopartikel-Substrat-Wechselwirkungen unter Laser-Bestrahlung sind weitgehend untersucht, so dass wir hier auf veröffentlichte Ergebnisse zurückgreifen können. Die Dynamik der Strukturänderungen wird mit verschiedenen hochauflösenden Techniken untersucht: Elektronenmikroskopie, elektronendispersive Röntgenspektroskopie, Elektronenrückstreubeugung und Rasterkraftmikroskopie. Die drei parallelen Ansätze, zusammen mit unserer chemischen und physikalischen Expertise, erlauben uns die Trennung und Bestimmung des Zusammenspiels der zugrundeliegenden Mechanismen und Effekte. Oberflächen- und Grenzflächenenergien/Kräfte im Nanomaßstab, unterschiedliche kristallographische Orientierungen, Phasendiagramme, plastisches Fließen, katalytische Reaktionen und chemische Bindungen müssen genauso wie Legierungsbildung und ballistische Vermischung betrachtet werden, um ein vollständiges Verständnis der Nanopartikel-Substrat-Wechselwirkungen unter Einwirkung von Energie zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen