El resultado de un análisis tridimensional combinado de superficie ToF-SIMS- / SFM de una mezcla de PCBM / CyI-polímero utilizada por el Laboratorio de Polímeros Funcionales de Empa para producir células solares orgánicas.
El NanoChemiscope 3D es un milagro de la tecnología de análisis de vanguardia. Como un desarrollo adicional de métodos microscópicos y espectroscópicos de masas bien conocidos, mapea las superficies físicas y químicas de los materiales hasta el nivel atómico. Este instrumento, que es único en el mundo, no solo ofrece imágenes de alta definición; también sabe lo que está "viendo".
¿Qué tienen en común un pingüino y la superficie de una célula solar? No mucho lo concede la física de Empa, Laetitia Bernard. Sin embargo, debe haber sonreído cuando, mientras se procesa una imagen de una mezcla de polímeros necesaria para producir un nuevo tipo de célula solar orgánica, en cierto punto pudo distinguir cada vez más claramente la silueta de un pingüino. Un pequeño detalle en el complejo mundo de la microscopía de alto rendimiento.
El NanoChemiscopio 3D, que fue desarrollado en Empa, no solo mapea muestras con precisión nanométrica, pero por primera vez también puede proporcionar información precisa sobre qué elementos químicos están dispuestos en una muestra. Esto permite ambas propiedades mecánicas, como dureza, elasticidad o fricción, y propiedades químicas de las superficies que se determinarán simultáneamente en tres dimensiones. En el caso de la imagen del "pingüino", esto significa que el NanoChemiscope 3D no solo captura el contorno del "pingüino", pero también detecta qué polímeros se encuentran en su "pico", en su "ojo" y "alrededor" de él. Usando esta técnica de análisis, Los investigadores de células solares pueden controlar de manera eficiente los mecanismos de sus materiales y adaptar la composición o concentración de su mezcla de polímeros en consecuencia. Esto permite crear nuevas estructuras y, por lo tanto, conduce a mejores rendimientos de la célula solar.
Algunas de las muchas imágenes individuales a partir de las cuales el NanoChemiscopio 3D generó la vista 3D. El SFM escanea la topografía de la superficie (La imagen de la izquierda muestra una sección de 12 µm x 12 µm de tamaño. Las diferencias de altura visibles en la imagen miden 100-200 nm). Con los TOF-SIMS, es posible identificar dónde se encuentran los diferentes materiales o polímeros en la mezcla de polímeros en la superficie (Las imágenes en el medio y a la derecha muestran iones C- + C2- y CN- + I-).
Microscopio de fuerza de barrido y espectrómetro de masas de alta gama
Este análisis es posible gracias al NanoChemiscope 3D, que combina dos técnicas previamente independientes. El microscopio de fuerza de escaneo (SFM) escanea la superficie con una punta ultrafina, mientras que el espectrómetro de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (ToF-SIMS) determina la composición del material de la primera monocapa superficial "disparando" iones metálicos hacia ella.
Hasta ahora, para estudiar las propiedades químicas y físicas de las superficies, fue necesario analizar la muestra en dos instrumentos diferentes. Sin embargo, al transportar la muestra de un instrumento a otro, siempre existía el peligro de contaminación u oxidación. Además, fue prácticamente imposible encontrar la ubicación exacta escaneada por el SFM nuevamente. Qué, por lo tanto, ¿Podría ser más apropiado que "combinar" los dos instrumentos? En un proyecto de cuatro años patrocinado por la UE, líder del proyecto Laetitia Bernard, junto con investigadores de Empa y socios de la academia y la industria, ha realizado un meticuloso trabajo para desarrollar un nuevo instrumento en el que un SFM y un ToF-SIMS se colocan en una cámara de ultra alto vacío lo más cerca posible el uno del otro.
Los expertos en microscopios también han equipado el NanoChemiscope 3D con un novedoso sistema de transporte desarrollado internamente, que utiliza piezomotores para mover la muestra suavemente hacia adelante y hacia atrás en pistas recubiertas con una capa de carbono tipo diamante (DLC). El portamuestras se puede mover a lo largo de cinco ejes, permitiendo que la ubicación bajo investigación sea analizada desde cualquier ángulo.
Tras su construcción, el prototipo - un monstruo hecho de aluminio reluciente de 1 metro de largo, 70 centímetros de ancho y 1,7 metros de alto - ha estado en funcionamiento en el socio del proyecto ION-TOF GmbH en Münster, Alemania, donde está siendo utilizado por clientes industriales y socios de investigación. Está prevista la construcción de más instrumentos, clientes que han expresado un gran interés y están dispuestos a pagar sumas superiores a un millón de francos suizos.
