Geräte und Ausstattung für die Forschung

Mit dem FLS1000 der Firma Edinburgh Instruments steht der Abteilung für funktionale Nanostrukturen ein state-of-the-art Photolumineszenz-Spektrometer zur Messung von Emissions- und Anregungsspektren mit hoher Auflösung mit einem Messbereich von 200–1600 nm. Zeitaufgelöste Messung durch den Einsatz gepulster Laser zur Anregung sind auch im Subnanosekundenbereich möglich. Es stehen verschiedene Probenhalter zur Messung von Lösungen, Feststoffen und Beschichtungen zur Verfügung, sowie eine Ulbrichtkugel zur Messung von Quantenausbeuten und Reflektivitäten.

Der optische Kryostat OptistatCF der Firma Oxford Instruments ist mit beiden high-end Spektrometern (FLS1000 und CARY 5000) der Abteilung für funktionale Nanostrukturen kombinierbar, sodass spektroskopische Untersuchungen im Bereich 200–2500 nm bei unterschiedlichen Temperaturen möglich sind. Der Messbereich erstreckt sich dabei von 500 bis 3,4 K (im Betrieb mit flüssigem Helium) bzw. bis 77 K (im Betrieb mit flüssigem Stickstoff).

Das DUAL-FL der Firma Horiba ist eine Kombination aus einem Bench-Top-Spectrofluorometer und einem UV/Vis Spectrophotometer. Emission-, Extinktions- und Anregungsspektren können im Bereich von 200–1000 nm detektiert werden. Durch den Einbau der Ulbrichtkugel „Quanta-Phi“ ist eine absolute Bestimmung von Quantenausbeuten fluoreszierender Systeme möglich. Desweiteren ist dieses Gerät mit einer unserer Gloveboxen verbunden, was es ermöglicht auch wasser- und luftempfindliche Proben unter Schutzgas-Atmosphäre zu vermessen.

Mit Hilfe dieses Spektrometer-Aufbaus können langsame optisch angeregte Ladungsträgerzustände im zeitlichen Verlauf untersucht werden. Die zeitliche Auflösung liegt dabei im Mikrosekunden-Bereich. Zur Anregung wird ein Neodym-YAG-Laser verwendet, der mittels verschiedener Module die Wellenlängen 1064, 532, 355, 266 nm und den Bereich von 420 bis 950 nm anregen kann. Der Proben-Puls wird von einer Xenon-Lampe erzeugt. Durch ein auswechselbares zentrales Modul in der Probenkammer, kann neben flachen Proben in Reflexion auch in Küvetten in Transmisson gemessen werden. In diesem Fall ist eine Temperierung mittels Thermostat möglich.

Zur photoelektrochemischen Charakterisierung von Nanopartikeln und Nanopartikel-Assemblierungen stehen drei Potentiostaten (Solartron ModuLab XM ECS, Princeton Applied Research PARSTAT 3000A-DX Bipotentiostat, Zahner Zennium), verschiedene Lichtquellen (Xenon-Lampe mit Monochromator und Chopper, unterschiedliche LEDs), ein Funktionsgenerator (zur Steuerung der LEDs), sowie ein 7270 DSP Lock-In Amplifier von Signal Recovery zur Verfügung. Durch die Kombination von Lock-In Amplifier und Potentiostat können auch sehr geringe (Photo-)Ströme im pA-Bereich detektiert werden, wodurch beispielsweise die Ladungsträgerdynamik in Einzelpartikeln und Assemblierungen untersucht werden kann. Zudem sind beide Potentiostaten impedanzfähig (Frequenzen bis 7 MHz).

Zur Messung von katalytischen Eigenschaften stehen zudem auch ein Metrohm Autolab PGSTAT204 und eine rotierende Scheibenelektrode (RRDE-3A von ALS) zur Verfügung.

Das Laser-Mikroskop besteht aus einem aufrechten Zeiss Axio Imager.A2m mit Objektiven zwischen 2,5- und 50-facher Vergrößerung. Zur Aufnahme der Bilder dient eine Gryphax Prokyon Mikroskopkamera der Firma Jenoptik. So können einzelne Farbbilder mit bis zu 5760 x 3600 Pixel aufgenommen werden. Des Weiteren können Panorama-Bilder, Fokusstapelungen, Videos, Zeitraffer- oder Zeitlupen-Videos aufgenommen werden.

Zur Untersuchung von sichtbar emittierenden Proben steht eine 470 nm LED mit einstellbarer Intensität als Auflicht zur Verfügung. Bei Bedarf kann eine Rapp OptoElectronic DL-Series-Laserquelle (Wellenlänge 405 nm) angeschlossen werden. Zusammen mit dem Steuermodul UGA-42 Firefly kann eine schnelle, dynamische Beleuchtung von Punkten oder benutzerdefinierten Bereichen im Sichtfeld des Mikroskops realisiert werden. Einzelne Punkte liegen dabei im Submikrometerbereich.

Die Abteilung für funktionale Nanostrukturen besitzt eine TGA/DSC 3+ der Firma Mettler Toledo zur thermogravimetrischen Analyse. Damit lassen sich Masseänderungen zwischen Raumtemperatur und 1100 °C sowohl unter Stickstoff- als auch unter Luftfluss messen, z.B. zur Bestimmung organischer Probenanteile. Dank SDTA Technik ist auch die Messung des Wärmestroms möglich.

Die Quantachrome Nova 3200e wird zur Bestimmung von spezifischen Oberflächen und Porengrößen/-volumina von Nanopartikel-Assemblierungen und anderen porösen Materialien eingesetzt. Die Probenvorbereitung von bis zu vier Proben gleichzeitig kann sowohl unter Vakuum als auch im Gasstrom bei Temperaturen von bis zu 350 °C erfolgen. Bei der anschließenden Messung (bis zu drei Proben gleichzeitig) können Mikro- und Mesoporen ab einem Durchmesser von etwa 0,5 nm erfasst werden. Als Adsorptivgas wird Argon verwendet, aber es können alternativ auch andere Gase (N₂, CO₂ usw.) eingesetzt werden.

Der Zetasizer Nano ZSP der Firma Malvern Panalytical erlaubt die Analyse des Partikelverhaltens in Lösung. Hiermit können über die dynamische Lichtstreuung sowohl Partikelgrößen als auch das Zetapotential der Partikel bestimmt werden. Das Gerät verfügt dazu über einen 633 nm Laser. Automatisierte pH-abhängige Messungen sind mit dem vorhandenen Autotitrator (Malvern MPT-2) ebenfalls möglich.

Dieses ESA/Zetapotential-Messgerät ermöglicht die Vermessung von hochkonzentrierten (bis zu 74 vol%), trüben oder viskosen Dispersionen. Das Gerät verfügt über einen elektroakustischen Verstärker, sowie eine Temperatur-, Leitfähigkeits- und pH-Sonde (Messbereich: 2–14). Das integrierte Titrationsmodul (Zweiwegkolbenpumpen mit 1,0 µL Auflösung) ermöglicht die potentio- & volumetrische Bestimmung der Wirkung von Additiven auf Suspensionen sowie die automatische Bestimmung des Isoelektrischen Punkts. Zur exakteren Bestimmung des Teilchengrößenrichtwertes (1 bis 50 µm) erfolgt die Messung bei drei verschiedenen Frequenzen.

Insgesamt stehen zwei Einplatz- und zwei Zweiplatzhandschuhboxen von MBraun zur Verfügung (Modelle Labstar, 2x UNIlab Plus und MB-200B). Alle Handschuhboxen verfügen über Lösemittelfilter (Aktivkohle oder Molekularsieb), drei davon sind zudem mit einem Gefrierschrank ausgestattet. Die Handschuhboxen werden vorrangig zur Lagerung und sicheren Handhabung luft- und feuchtigkeitsempfindlicher sowie toxischer Chemikalien verwendet. Über eine Glasfaseroptik können zudem Extinktions- und Emissionsspektren von Lösungen mit dem Dual-FL gemessen werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, photoelektrochemische Messungen unter Inertbedingungen durchzuführen.

Der Quorum E3100 Kritisch-Punkt-Trockner ist ein vielseitiges Gerät zum schonenden Trocknen von makroskopischen Strukturen und ermöglicht die Herstellung von Aerogelen mit extrem großen spezifischen Oberflächen. Zunächst wird in den Proben der Alkohol durch flüssiges CO₂ verdrängt, der im Anschluss durch Erhöhung der Temperatur in die überkritische Phase übergeht (1100 psi & 31,5 °C). Nach Ablassen des CO₂ wird die trockene Probe erhalten. Das Gerät selbst verfügt über eine robuste Konstruktion mit horizontaler zylindrischer Kammer (63,5 x 82 mm) und verschiedenen Probenhaltergrößen. Der CO₂-Gehalt ist während des Trocknungsprozesses durch das Fenster sichtbar und die entscheidenden Parameter (Druck und Temperatur) können vor Ort überwacht werden. Das Gerät ist an ein temperaturüberwachtes Wasserbad mit exakter Heiz- und Kühlfähigkeit angeschlossen.

Der Gefriertrockner dient zur Lyophilisierung wässriger, gefrorener Proben. Dieses Gerät verfügt über 3 unbeheizte Stellflächen sowie zusätzlich Anschlüsse für 8 Rundkolben, Weithalsfilterverschlussflaschen oder Verteilerstücke für Ampullen. Bei einer Kondensatortemperatur von –58 °C, einem maximalen Unterdruck von 0,036 mbar können maximal 2,5 kg Wasser pro Trocknungsvorgang eingefroren werden.

Zur Simulation des Sonnenlichts für Photokatalytische Experimente wird eine 300 W Xenonlampe mit einem AM 1.5G Filter (LS0308 von Quantum Design) verwendet. Die Lichtintensität kann mit dem Abstand auf 1 Sun (100 mW/cm²) eingestellt werden. Zur Quantifizierung der Katalytischen Quanteneffizienzen und zur Reproduzierbarkeit werden die Experimente in einem Licht dichten Aufbau durchgeführt.

Für weitere Experimente unter simuliertem Sonnenlicht steht ein Atlas Suntest CPS+ zur Verfügung. Es kann die Lichtintensität zwischen 1 und 100 mW/cm² variiert werden und die Temperatur zwischen 30 °C und 100 °C kontrolliert werden.

Die Gaschromatographie von Agilent (GC 8860) wird zur Auftrennung und Analyse flüchtiger Gemische und Gase in einzelne chemische Verbindungen eingesetzt. Das Gerät verfügt über zwei Einlassventile, die jeweils zwei separate Trennsäulen und zwei unterschiedliche Detektoren (Flammenionisationsdetektor (FID) oder Thermischer Leitfähigkeitsdetektor (TCD)) ansteuern.

Das MPMS3 SQUID-Magnetometer (SQUID: Superconducting Quantum Interference Device) der Firma Quantum Design wird zur Bestimmung kleinster magnetischer Flussänderungen eingesetzt. Das MPMS3 verfügt über zwei verschiedene Messmodi (DC-Scan-Modus und dem VSM-Modus) die in einem Temperaturbereich von 1.8–400 K und einem Magnetfeldbereich von -7–7 T operieren. Der DC-Scan-Modus ermöglicht eine kontinuierliche Aufzeichnung und Erfassung von Rohdatenpunkten bei verschiedenen Feldern und Temperaturen. Der VSM-Modus kombiniert den DC-SQUID-Sensor mit einer VSM-Technologie (Vibrating Sample Magnetometer) und ermöglicht so eine höhere Empfindlichkeit.

Das Fluoromax-4 ist ein Bench-Top-Spektrofluorometer, das, neben der Aufnahme von Emissions- und Anregungsspektrum bis 950 nm, zeitkorrelierte Einzelphotonenzählungs-Lebensdauermessungen ermöglicht (TCSPC mit 200 ps Untergrenze). Das Gerät ist mit einem Czerny-Turner-Monochromator ausgestattet und ermöglicht Messungen von flüssigen und festen Proben in speziellen Halterungen. Zur Bestimmung der Lebensdauer der Proben werden verschiedene NanoLEDs (FWHM 20–50 nm, Pulsbreite 1,2–1,5 ns) mit Wellenlängen vom UV bis bis in den sichtbaren Bereich verwendet.

Der Abteilung für funktionale Nanostrukturen steht ein CARY 5000 Spektrophotometer des Herstellers Agilent Technologies zur Verfügung. Dieses high-end Spektrometer ermöglicht Transmissions- und Extinktionsmessungen von Flüssigkeiten, beschichteten transparenten Materialien und Pulvern in einem spektralen Bereich von 175–3300 nm in hoher Auflösung. Zusätzlich kann das Gerät bei Bedarf mit erweiternden Accessoires wie einer DRA-2500 Ulbricht-Kugel für die Messung von Absorptions- und Reflexionsspektren oder eines thermostatgeregelten 1x1 Peltier-Küvettenhalters für temperaturabhängige Transmissions- und Extinktionsspektroskopie ausgestattet werden.

Die Arbeitsgruppe Dorfs arbeitet mit einen Laser Setup, dessen Herzstück ein gepulster Neodym-YAG-Laser des Herstellers Continuum darstellt. Dieses Gerät ermöglicht es hochgenergetische Lichtpulse mit 5 ns Länge, einer Wellenlänge von 1064 nm und einer maximalen Energie von 475 mJ pro Puls durch Lösungen mit Nanopartikeln zu schicken. Mit Hilfe von mehreren austauschbaren harmonischen Kristallen, lassen sich weitere Wellenlängen (532 nm, 355 nm und 266 nm) erzeugen. Die auf die Probe treffende Energie lässt sich im vorhandenen Setup stufenweise mithilfe von OD-Filtern abschwächen und durch einen pyroelektrischen Energiesensor der Firma Coherent erfassen. Die bestrahlten Lösungen können mithilfe eines in den Küvettenhalter des Setups eingefassten Rührgerätes gerührt werden.

Das Röntgenphotoelektronenspektrometer PHI 5000 VersaProbe III bietet eine weite Bandbreite an oberflächensensitiven Messmethoden, welche Rückschlüsse auf die Bindungssituationen, Oberflächenzusammensetzungen und elektronische Zustände der Proben zulassen. Neben der klassischen Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) bietet das Gerät die folgenden Techniken:

• Tiefenprofilierungen durch Probenabtragung (mittels Argon-Ionen oder –Clustern)
• Auger-Elektronen Spektroskopie (AES) zur Analyse der chemischen Zusammensetzung der Probenoberfläche
• UV Photoelektronen Spektroskopie (UPS) zur Bestimmung von Molekülorbitalenergien im Valenzband
• Reflektive Elektronenenergieverlustspektroskopie (REELS) zur Informationsgewinnung über Bandlücken und Fehlstellen auf Oberflächen
• (Niederenergetische) Inverse Photoemissionsspektroskopie (LEIPS) zur Charakterisierung unbesetzter elektronischer Zustände an Oberflächen
• Beheizbare Probenkammer

Mit Hilfe dieser Techniken können Probenoberflächen verschiedener Beschaffenheit umfänglich charakterisiert werden. Das Gerät verfügt zusätzlich über bildgebende Verfahren wie die Rasterelektronenmikroskopie, sodass Materialverteilungen auf Probenoberflächen grafisch dargestellt werden können. Das Gerät hat eine spektrale Auflösung von 0,1 eV und einen Strahldurchmesser von 9 bis 200 µm (15 kV) für XPS-Messungen.

Das Gerät wird in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Behrens des Instituts für Anorganische Chemie betrieben.

Der Abteilung für funktionale Nanostrukturen steht ein HELIOS FIRE Transiente Absorptions-Spektrometer der Firma Ultrafast Systems zur Verfügung. Das Gerät ermöglicht eine umfassende Untersuchung der Art, des Ursprungs und des zeitlichen Verlaufs photoangeregter Ladungsträgerzustände optisch störbarer Systeme. Die zu untersuchenden Proben werden hierbei mit einem ultrakurzen Anregungs-Laserpuls (~100 fs) aus dem Grundzustand angeregt, während ein zeitversetzter Abfrage-Laserpuls die Probenantwort zu unterschiedlichen Zeiten nach der Anregung abbildet. Das HELIOS FIRE deckt hierbei einen optischen Breitbandbereich von 350–1600 nm ab. Proben können in Lösung oder als Filme charakterisiert werden. Die optische Anregung ist über einen weiten Spektralbereich mithilfe eines OPA abgedeckt (~260–2100 nm).