3D NanoChemiscope är ett mirakel av toppmodern analysteknik. Som en vidareutveckling av välkända mikroskopiska och masspektroskopiska metoder, den kartlägger de fysiska och kemiska ytorna på material ner till atomnivå. Detta instrument, som är unik i världen, ger inte bara högupplösta bilder; den vet också vad den "ser".

Vad har en pingvin och ytan på en solcell gemensamt? Inte mycket medger Empa-fysikern Laetitia Bernard. Men hon måste ha log när, medan man bearbetar en bild av en polymerblandning som krävs för att producera en ny typ av organisk solcell, vid en viss tidpunkt kunde hon urskilja konturerna av en pingvin allt tydligare. En liten detalj i den komplexa världen av högpresterande mikroskopi.

3D nanokemiskopet, som utvecklades på Empa, kartlägger inte bara prover med nanometerprecision, men kan för första gången också ge exakt information om vilka kemiska grundämnen som är ordnade var i ett prov. Detta möjliggör både mekaniska egenskaper, såsom hårdhet, elasticitet eller friktion, och kemiska egenskaper hos ytor som ska bestämmas samtidigt i tre dimensioner. När det gäller bilden "pingvin", detta betyder att 3D NanoChemiscope inte bara fångar konturen av "pingvinen", men detekterar också vilka polymerer som finns vid dess "näbb", vid dess "öga" och "runt" det. Med hjälp av denna analysteknik, solcellsforskarna kan effektivt kontrollera mekanismerna för sina material och anpassa sammansättningen eller koncentrationen av sin polymerblandning därefter. Detta möjliggör nya strukturer och leder därför till att bättre prestanda hos solcellen skapas.

Skanningskraftmikroskop och avancerad masspektrometer

Denna analys möjliggörs av 3D NanoChemiscope, som kombinerar två tidigare oberoende tekniker. Skanningskraftmikroskopet (SFM) skannar ytan med en ultrafin spets, medan den sekundära jonmasspektrometern (ToF-SIMS) för flygtiden bestämmer materialsammansättningen för det första ytmonoskiktet genom att "skjuta" metalljoner mot det.

Tills nu, för att studera både de kemiska och fysikaliska egenskaperna hos ytor, det var nödvändigt att analysera provet i två olika instrument. Dock, när provet transporteras från ett instrument till ett annat, det fanns alltid en risk för kontaminering eller oxidation. Dessutom, det var praktiskt taget omöjligt att hitta den exakta platsen som skannades av SFM igen. Vad, därför, kan vara lämpligare än att "kombinera" de två instrumenten? I ett fyraårigt projekt sponsrat av EU, projektledare Laetitia Bernard, tillsammans med Empa-forskare och partners från akademi och industri, har utfört ett noggrant arbete med att utveckla ett nytt instrument där en SFM och en ToF-SIMS placeras i en ultrahögvakuumkammare så nära varandra som möjligt.

Mikroskopexperterna har också utrustat 3D NanoChemiscope med ett nytt transportsystem som utvecklats internt, som använder piezomotorer för att försiktigt flytta provet fram och tillbaka på spår belagda med ett diamantliknande kollager (DLC). Provhållaren kan röra sig längs fem axlar, så att den undersökta platsen kan analyseras från vilken vinkel som helst.

Efter dess konstruktion, prototypen – ett monster gjort av glänsande aluminium 1 meter långt, 70 centimeter bred och 1,7 meter hög – har varit i drift hos projektpartnern ION-TOF GmbH i Münster, Tyskland, där den används av industriella kunder och forskningspartners. Byggandet av fler instrument planeras, kunder som har uttryckt ett stort intresse och varit beredda att betala belopp över en miljon schweizerfranc.