Raman Imaging: Die Anwendungsfelder werden breiter

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Materialanalytik mit der Raman-Mikroskopie: von Zement bis zu 2D-Materialien

In den Materialwissenschaften spielt die konfokale, korrelative Raman-Mikroskopie schon länger wichtige Rolle bei der Entwicklungen neuer oder verbesserter Materialien. Die Vorträge und Postern aus den Materialwissenschaften erstreckten sich von Zement bis hin zu atomar dünnen 2D-Materialien.

Zement ist ein seit Jahrhunderten bekannter Baustoff. Bei der Herstellung von Zement werden unzählige Rohstoffe verbraucht und es fallen große Mengen an CO₂ an. Außerdem entstehen beim Abriss von Zementbauten Tonnen an Müll. Dr. Biliana Gasharova vom KIT in Karlsruhe hat sich zur Aufgabe gemacht, umweltfreundlichere und energieeffizientere Produktionsverfahren zu entwickeln. Dafür untersucht sie die Auswirkungen veränderter Produktionsbedingungen auf die Zusammensetzung der Zement-Phasen und deren Eigenschaften. Um die Phasen im Zement darzustellen und chemisch zu identifizieren verwendet sie konfokale Raman Mikroskopie. Damit kann sie unter anderem kristalline Strukturen und polymorphe Domänen unterscheiden und daraus Rückschlüsse auf deren Entstehung während der Produktion ziehen.

Ganz andere Materialien sind für die Forschungsgruppe um Prof. Dr. Georg Duesberg am Trinity College in Dublin (Irland) interessant. Sie forscht an neuen 2D-Materialien, die zukünftig in Solarzellen, Transistoren und elektronischen Geräten Einsatz finden sollen. 2D-Materialien sind atomar dünne Schichten, die beispielsweise aus Nano-Kohlenstoff, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid oder Platindiselenid bestehen. Duesberg und Kollegen untersuchen Herstellungsverfahren, die den Einsatz dieser Materialien in der industriellen Anwendung ermöglichen. Dabei ist es wichtig, Informationen über die Anzahl der atomaren Lagen, mögliche Defekte in den Schichten und die Leitfähigkeit des hergestellten Materials zu erhalten. Neben Mikroskopieverfahren wie Rasterkraftmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und der Transmissionselektronenmikroskopie verwendet Duesberg vor allem die Raman Mikroskopie, die sich für diese Materialien gut eignet. Besonders Informationen, die Duesberg und Kollegen aus Raman Analyse im Bereich niedriger Wellenzahlen erhalten, sind für die Material-Charakterisierung interessant.

Aktuelle werden 2D-Materialien weltweit intensiv untersucht. Ausschnitte aus ihrer Forschung an 2D-Materialien beleuchteten Prof. Dr. Nedjam Bendiab vom Institut Néel/CNRS an der Universität Grenoble (Frankreich) und Prof. Dr. Marcos Pimenta von der Universität in Belo Horizonte (Brasilien). Bendiab stellte ihre Forschung an dem Nano-Kohlenstoff Graphen über Belastungen im Material, mechanische Resonanz und Ladungs- und Energie-Übertragung vor. Pimenta berichtet über seine Arbeit über atomare Strukturen und Anordnungen in unterschiedlichen 2D Materialien und vergleicht die Ergebnisse aus der Raman Spektroskopie mit den Ergebnissen aus theoretischen Simulationen.

Welche unterschiedlichen Anwendungsfelder die konfokale Raman Mikroskopie in den Materialwissenschaften sonst noch findet, resümierte Prof. Dr. Vladimir Shur von der Föderalen Ural Universität in Jekaterinburg (Russland).

Dass die Symposium Teilnehmer den Vorträgen unterschiedlichster Fachrichtungen folgen konnten, dafür sorgte Prof. Dr. Schlücker von der Universität Duisburg-Essen mit einer Auffrischung der physikalischen Prinzipien der Raman-Spektroskopie. Außerdem stellte er Beispiele aus seinem Spezialgebiet vor, der Oberflächen-verstärkte Raman Spektroskopie (SERS). Am Ende seines Vortrags konnten die Teilnehmer ihr Wissen in einem interaktiven Quiz testen.

Wie werden die großen Datenmengen der Raman-Mikroskopie ausgewertet?

Dr. Johannes Ofner von der Technischen Universität in Wien (Österreich) erläuterte den Teilnehmern, wie man große Datenmengen, die in hyperspektralen Bildern enthalten sind, auswertet. Hyperspektrale Bilder beinhalten Informationen unterschiedlicher Mikroskopieverfahren wie Elektronenmikroskopie, Massenspektroskopie und Raman Mikroskopie. Anstatt jedes Bild einzeln auszuwerten, verwendet Ofner entsprechende Filter und Algorithmen um die Bilddaten gleichzeitig zu analysieren. Dies erleichtert die anschließende Interpretation der Ergebnisse.

Am Ende der Konferenz waren die Rückmeldungen der Konferenzteilnehmer durchweg positiv. Gomathy Sandhya Subramanian vom A*STAR Institut für Materialforschung in Singapur betonte: „Die Besonderheit beim Konfokalen Raman Imaging Symposium ist, dass man neben Fachexperten auch System-Experten trifft, von denen man eine Menge Tipps und Tricks bekommt, wie man die Raman Mikroskopie auf die eigenen Proben anwenden kann.“ Johannes Ofner von der TU Wien hob hervor: „Während wissenschaftlichem und sozialem Programm hat man Kontakt zu Forschern und Witec Mitarbeitern bekommen. Es war eine ideale Basis um Wissen und Erfahrungen auszutauschen.“

Das 14. Symposium für Konfokales Raman Imaging wird vom 25. – 27. September 2017 in Ulm stattfinden.

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