Techniken zur Materialcharakterisierung

Was ist Materialcharakterisierung?

Die Materialcharakterisierung ermöglicht es den Forschern, die Struktur eines Materials zu bestimmen, wie diese Struktur mit seinen makroskopischen Eigenschaften zusammenhängt und wie es sich in technologischen Anwendungen verhalten wird.

Es gibt unterschiedliche Definitionen des Begriffs "Materialcharakterisierung". Manche verwenden den Begriff für alle Verfahren der Materialanalyse, einschließlich der thermischen Massenanalyse und der Dichteprüfung. Dieser Blogbeitrag konzentriert sich jedoch auf die Verfahren zur Materialcharakterisierung, die zur Untersuchung der mikroskopischen Eigenschaften von Materialien eingesetzt werden.

Die meisten dieser Verfahren zur Materialcharakterisierung lassen sich entweder der Mikroskopie oder der Spektroskopie zuordnen.

Mikroskopie-Techniken

Die Mikroskopie, also die Untersuchung von Materialien und Oberflächen mit Hilfe von Mikroskopen, ist eine der grundlegendsten Methoden der Materialcharakterisierung und der wissenschaftlichen Forschung im Allgemeinen. Mikroskope verwenden eine Vielzahl verschiedener Methoden, um vergrößerte Bilder von Materialien und Oberflächen zu erzeugen.

Optische Mikroskope

Das Lichtmikroskop wird überall eingesetzt, vom naturwissenschaftlichen Unterricht in der Schule bis hin zu hochmodernen Labors, und ist eines der bekanntesten wissenschaftlichen Geräte der Welt. Optische Mikroskope verwenden Linsen und Spiegel, um mit sichtbarem Licht ein vergrößertes Bild zu erzeugen. Lichtmikroskope sind zwar für eine Vielzahl von Anwendungen äußerst nützlich, doch ihre maximale Vergrößerungsleistung ist aufgrund des Verhältnisses zwischen der Wellenlänge und der Energie der Photonen auf etwa das 1.000fache begrenzt.

Es gibt viele Varianten der Lichtmikroskopie, darunter auch einige, die Fluoreszenz zur Verbesserung der Abbildungsleistung einsetzen (z. B., Fluoreszenz, konfokal und Zwei-Photonen Mikroskopie).

Elektronenmikroskope

Es gibt verschiedene Arten der Elektronenmikroskopie, vor allem Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und Rastertunnelmikroskopie (STM). Sie verwenden Elektronenstrahlen statt Lichtstrahlen zur Materialcharakterisierung. Elektronenmikroskope sind die leistungsstärksten Mikroskope der Welt, die Bilder mit einer bis zu 50.000.000-fachen Vergrößerung erzeugen können.

Andere Mikroskopietechniken

Verschiedene andere Arten der Mikroskopie können für die Materialcharakterisierung verwendet werden, darunter:

• Rasterkraftmikroskopie (AFM)
• Röntgenmikroskopie
• Ultraviolette (UV) Mikroskopie

Spektroskopische Techniken

Es gibt zahlreiche und unterschiedliche spektroskopische Verfahren, die jedoch alle die Messung der Reaktion eines Materials auf verschiedene Frequenzen elektromagnetischer Strahlung beinhalten. Je nach verwendeter Technik kann die Materialcharakterisierung auf der Absorption, Emission, Impedanz oder Reflexion der einfallenden Energie durch eine Probe beruhen.

Die Spektroskopie ist ein sehr weites Feld, und es gibt eine große Anzahl von Techniken. Einige der beliebtesten sind Röntgenspektroskopie, UV/sichtbare Spektroskopie, Infrarot (IR)-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie, und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR).

Andere Materialcharakterisierungstechniken

Viele der für die Materialcharakterisierung verwendeten Techniken fallen nicht in die Kategorien Mikroskopie und Spektroskopie. Einige der bekanntesten Beispiele sind:

• Beugungstechniken wie Röntgenbeugung werden in der Regel zur Bestimmung der Kristallstruktur verwendet.
• NanoindentationDabei kann die Materialcharakterisierung auf der Grundlage der Reaktion eines Materials im Nanobereich auf eine sehr kleine und präzise mechanische Sonde, den so genannten Nanoindenter, durchgeführt werden.
• Elektrische und magnetische Techniken einschließlich Impedanzspektroskopie.

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