Oberflächenanalytik

 

Die Benetzung, die Adhäsion mit anderen Objekten und die Haftung von Druckfarben wird von der chemischen und physischen Struktur einer Oberflächenschicht bestimmt, die weniger als 1 nm dick ist. Eine Analyse von chemischen heterogenen Oberflächenschichten in dieser Dimension ist eine große Herausforderung für die moderne Analysetechnik.

Chemische Funktionalitäten müssen in Konzentrationen in der Größenordnung von 10-10 mol/cm2 vor dem Hintergrund eines Volumenmaterials untersucht werden, das meist mindestens 104 mal größerer Menge vorhanden ist.

Die Kombination von oberflächenchemischen Reaktionen mit instrumentellen Techniken ergibt leistungsfähige Methoden zur Bestimmung funktioneller Gruppen an Polymeroberflächen. Diese sogenannten Derivatisierungen basieren darauf, dass eine bestimmte funktionelle Gruppe oder eine Klasse funktioneller Gruppen spezifisch mit einer Substanz umgesetzt wird, die mit der Instrumentaltechnik leicht analysiert werden kann.

Oberflächen-
funktionalgruppen-
analyse mit Fluoreszenz-
markierung (FL)

Röntgenphoto-
elektronen-
spektroskopie (XPS)

Kontaktwinkel-
messung (CAG)

Dynamische
Wasserdampfsorption

Quecksilber-
porosimetrie

Volumetrische
Gasadsorption

Ellipsometrie

Ihre Ansprechpartner

Oberflächen-Funktionalgruppenanalyse mit Fluoreszenzmarkierung (FL)

Analyt

Oberflächen von Festkörpern
(inkl. Pulvern und Granulaten)

  • Probenmenge: > 2 mm x 5 mm
  • Nachweisempfindlichkeit:
    0,001 Monolage
  • Funktionalgruppen: -OH, C=O, COOH, NH, NH2

Ausstattung

Spex Fluorolog 122

  • Anregung mit Xenonlampe
  • einfacher Anregungsmonochromator, doppelter Emissionsmonochromator
  • SEV-Detektor

Zielgrößen

  • Konzentration der Funktionalgruppe

Anwendungen

Bestimmung von
Funktionalgruppenkonzentrationen

  • für Immobilisierung von Biomolekülen
  • genaue Charakterisierung von
    Oberflächen nach Behandlung

Vergleichs- und
Ergänzungsmethoden

  • Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)
  • Kontaktwinkelmessung (CAG)
  • Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS)

Ihr Ansprechpartner

Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)

Analyt

Oberflächen von Feststoffen, darunter Filme, Folien, Platten, Pulver, Pellets, Fasern, Gewebe und beschichtete Substrate. Luft- und feuchtigkeitsempfindliche Proben können unter Inertbedingungen gehandhabt und transferiert werden. Auch vakuumkompatible ionische Materialien und schwerflüchtige Stoffe können untersucht werden.

 

  • min. Probengröße: > 0,3 mm × 0,7 mm
  • max. Probengröße: 30 mm × 60 mm × 19 mm
  • typische XPS-Informationstiefe: bis zu ca. 10 nm, abhängig vom Material und vom Emissionswinkel
  • typische Nachweisgrenze: ca. 0,02–0,5 At.-%, abhängig vom Element und von der Matrix

Ausstattung

Kratos Axis Supra+

  • Röntgenquellen: monochromatische Aluminiumanode sowie Al/Mg-Doppelanodenröhre
  • Analysefläche: regulär 300 µm × 700 µm; Mikrospot: 120 µm, 60 µm oder 30 µm
  • Bildgebung chemischer Zustände mit einer maximalen lateralen Auflösung von ca. 2 µm
  • variabler Austrittswinkel
  • schädigungsreduzierte Analyse organischer Materialien und Polymere
  • UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS) zur Messung der elektronischen Valenzstruktur, der Austrittsarbeit und der Ionisierungsenergie
  • Bedingungen für luft- und feuchtigkeitsempfindliche Materialien

Ergebnisse

  • Elementare Zusammensetzung der Oberfläche
  • Chemische Zustände, Oxidationsstufen, Bindungsumgebungen und funktionelle Gruppen
  • Laterale Verteilung chemischer Zustände mittels XPS-Bildgebung
  • Tiefenabhängige Informationen zur chemischen Zusammensetzung und zu chemischen Zuständen
  • Elektronische Valenzstruktur, Austrittsarbeit und Ionisierungsenergie mittels UPS
  • Kombinierte chemische und elektronische Charakterisierung von Oberflächen und Grenzflächen mittels XPS und UPS

Vergleichs- und
Ergänzungsmethoden

  • Fluoreszenzmarkierung (FL)
  • Kontaktwinkelmessung (CAG)
  • Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS)
  • Photoelektronenspektroskopie unter Atmosphärendruck (AC-2) zur Messung der Austrittsarbeit und des Ionisierungspotenzials von Oberflächen und Dünnschichten

Anwendungen

  • Qualitätskontrolle von Reinigung, Aktivierung, Funktionalisierung und Beschichtungen von Oberflächen
  • Fehler- und Grenzflächenanalyse bei Klebe-, Druck- und Beschichtungsprozessen
  • Chemische Analyse von Beschichtungen, Adsorbatschichten und Oberflächenverunreinigungen
  • Bestimmung funktioneller Gruppen auf Polymeroberflächen
  • Ex-situ-XPS und Tiefenprofilanalysen luftempfindlicher Batterieelektroden und Festelektrolyt-Grenzschichten (SEI) mithilfe eines Probentransfers unter Inertbedingungen
  • Charakterisierung von Dünnschichten und Grenzflächen für die organische Elektronik und OLED-Materialien mittels XPS und UPS
  • Analyse der Oberflächenzustände metallischer Fügematerialien, einschließlich Oxid- und Hydroxidschichten, Verunreinigungen und Alterung, sowie Korrelation mit dem Schweißverhalten
  • Charakterisierung der chemischen Zustände vakuumkompatibler ionischer Flüssigkeiten und niedrigschmelzender organisch-anorganischer Materialien
  • Oberflächen- und Grenzflächenanalyse von Katalysatoren, funktionellen Kohlenstoffmaterialien, Hybridmaterialien und anderen komplexen Materialsystemen

Publikationen

Adesina et al., “Visible light degradation of tetracycline and bisphenol A by a hybrid photocatalyst composed of orange peel biochar, clay, and C/N-doped titania,” New Journal of Chemistry (2026). DOI: 10.1039/D6NJ00633G.

Horner, T. et al. “Unravelling the Secret of Sulfur Confinement and High Sulfur Utilization in Hybrid Sulfur-Carbons.” Advanced Materials 38 (2026), e13346. DOI: 10.1002/adma.202513346.

Eren, E. O. et al. “CVD-grown tunable carbon films for high-performance sodium storage.” Energy & Environmental Science 19 (2026), 4603–4615. DOI: 10.1039/D6EE01852A.

Moon, S. et al. “Laser-carbonized anodes for sodium-ion batteries: A sustainable fabrication route toward spatially resolved and practical energy storage.” Energy Storage Materials 84 (2026), 104793. DOI: 10.1016/j.ensm.2025.104793.

Ozherelkov, D. et al. “Effect of storage parameters and surface state on the ultrasonic welding behavior and mechanical properties of aluminum stranded wires.” Welding in the World 70 (2026), 1035–1049. DOI: 10.1007/s40194-025-02196-y.

Block et al., “Improving Spent Coffee Biochar for Effective Organic Contaminant Removal from Aqueous Media,” ACS Omega (2025). DOI: 10.1021/acsomega.4c09171.

Adesina et al., “Orange peel biochar/clay/titania composites: low cost, high performance, and easy-to-reuse photocatalysts for the degradation of tetracycline in water,” Environmental Science: Water Research & Technology 10 (2024), 1432–1450. 1432–1450. DOI: 10.1039/D4EW00037D.

Balischewski, C. et al. “Elucidating the Iron-Based Ionic Liquid [C4py][FeCl4]: Structural Insights and Potential for Nonaqueous Redox Flow Batteries.” Advanced Functional Materials 34 (2024), 2311571. DOI: 10.1002/adfm.202311571.

Kontaktwinkelmessung (CAG)

Analyt

Oberflächen von ebenen Festkörpern

  • Probenmenge: > 20 mm x 20 mm
  • Testflüssigkeiten: Wasser, Formamid,
    Glycerin, Trikresylphosphat,
    Methyleniodid; andere auf Anforderung

Ausstattung

  • Krüss DSA100 automatisches Video-Goniometer

Auswertungsmethoden und Zielgrößen

  • Oberflächenenergie
  • Lewis-Säure / Base-Eigenschaften
  • Owens / Wendt-, van Oss-Modelle

Anwendungen

  • Bestimmung der
    Benetzungseigenschaften von Festkörpern
  • Charakterisierung des Behandlungs-
    effektes / Qualitätskontrolle bei
    Aktivierung, Funktionalisierung, Beschichtung von Oberflächen

Vergleichs- und
Ergänzungsmethoden

  • Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)
  • Fluoreszenzmarkierung (FL)
  • Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS)

Ihr Ansprechpartner

Dynamische Wasserdampfsorption (DVS)

Analyt

  • Proben mit der Fähigkeit zur Aufnahme von Wasserdampf und organischen
    Lösungsmitteln
  • Phasenübergänge von Polymeren
  • 10 − 30 mg Probenmaterial

Ausstattung

Wasserdampfsorptionsgerät bestehend aus:

  • DVS Resolution (Dual Vapor Gravimetric Sorption Analysis)
  • Temperaturkontrollierte Probenkammer (Temperaturvarianz von 5 − 85 °C)
  • Cahn-Waage (Ultramikrowaage)
  • Bilderfassung durch Kopplung
    mit Videokamera

Auswertungsmethoden und Zielgrößen

  • Bestimmung der Wasserdampfaufnahme bei variabler rel. Feuchte (0 − 98 %) und konstanter Temperatur (Gleichgewichts-Feuchtegehalt)
  • Ermittlung von Adsorptions- und Desorptions-Isothermen
  • Kinetische Messungen zur Sorption und Desorption bei vorgegebener rel. Feuchte und Temperatur
  • Einsatz anderer Lösungsmittel sowie
    Mischungen
  • Berechnung der spezifischen Oberfläche unter Zugrundelegung einer entsprechenden Auswertesoftware

Anwendungen

  • Bestimmung der Wasserdampfsorption von perlförmiger Cellulose
  • Bestimmung der Sorptionsdaten von
    geschäumten Chitosan
  • Bestimmung der Sorptionskinetik von Holzschnitzeln
  • Sorption- und Desorptionsverhalten
    von Holz-, Pflanzen- und Papierfasern

Ihr Ansprechpartner

Quecksilberporosimetrie

Analyt

  • feste Proben mit und ohne Poren /
    Hohlräumen
  • Proben müssen trocken eingesetzt werden
  • 0,5 – 1 g Probenmaterial
    (abhängig von der Porosität)

Ausstattung

Quecksilberporosimeter bestehend aus:

  • Pascal 140 mit einem Druckbereich von 0,013 − 0,4 MPa zur Bestimmung der Makroporen und
  • Pascal 440 mit einem Druckbereich
    von 0,1 − 400 MPa zur Bestimmung der
    Mesoporen (Fa. Thermo Electron
    Corporation, Mailand, Italien)

Auswertungsmethoden und Zielgrößen

  • Bestimmung des Porenvolumens
    im Meßbereich
  • Bestimmung der Porendurchmesser und -verteilung (Porenerfassung zwischen 4 nm und 116 000 nm Durchmesser)
  • Ermittlung der Porosität und
    Dichteberechnungen
  • Berechnung der spezifischen Oberfläche unter Zugrundelegung verschiedener
    Porenmodelle
  • Bestimmung von Partikelgrößen zwischen 0,01 − 330 µm

Anwendungen

  • Bestimmung des kumulativen
    Porenvolumens, des mittleren Porendurchmessers und deren Verteilung in porösen
    Perlcellulosen
  • Bestimmung genannter Zielgrößen in
    geschäumten Chitosanprodukten
  • Bestimmung genannter Zielgrößen in
    Baustoffen (z. B. Beton)

Ihr Ansprechpartner

Volumetrische Gasadsorption

Analyt

  • feste Proben mit und ohne Poren / 
    Hohlräumen
  • Proben müssen trocken eingesetzt werden
  • 0,5 – 3 g Probenmaterial
    (abhängig von der Porosität)

Ausstattung

Stickstoffsorptionsgerät, bestehend aus:

  • Sorptomatic 1990 (Fa. Thermo Electron Corporation, Mailand, Italien)
  • Physisorption: N2, Kr, He
  • Vakuumöfen zur Probenvorbehandlung

Auswertungsmethoden und Zielgrößen

  • Bestimmung der spezifischen Oberfläche
    (> 0,2 m²/g mit N2, > 0,005 m²/g mit Kr)
  • Berechnung der Porendurchmesser und -verteilung mittels verschiedener Modellrechnungen (ADP-Software)
  • Porenerfassung zwischen 0,4 nm und 100 nm Durchmesser
  • Porenvolumenberechnung > 0,001 cm³/g

Anwendungen

  • Bestimmung der spezifischen Oberfläche sowie Berechnung der Porendurchmesser
    und -verteilung in Aerocellulose
  • Bestimmung genannter Zielgrößen in
    geschäumten Chitosanen
  • Bestimmung genannter Zielgrößen in
    cellulosischen Nanopartikeln

Ihr Ansprechpartner

Ellipsometrie

Analyt

  • dünne organische oder anorganische Schichten
  • Dickenbereich: einige Zehntel nm bis mehrere hundert nm

Ausstattung

  • Optrel Multiskop

Zielgrößen

  • Produkt aus Brechungsindex und
    Schichtdicke
    • bei bekanntem Brechungsindex
      Bestimmung der Schichtdicke und
      umgekehrt

Anwendungen

  • Dickenbestimmung bei dünnen und ultradünnen Polymerschichten
  • schrittweise Verfolgung des Aufbaus eines Multischichtsystems

Vergleichs- und
Ergänzungsmethoden

  • Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)
  • Profilometrie
  • Atomic Force Microscopy

Ihr Ansprechpartner

Ihre Ansprechpartner

Manuel Gensler

Contact Press / Media

Dr. Manuel Gensler

Oberflächen-Funktionalgruppenanalyse (FL) | Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) | Kontaktwinkelmessung (CAG)

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam

Telefon +49 331 568-1913

Jiyong   Kim

Contact Press / Media

Dr. Jiyong Kim

Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam

Telefon +49 331 568-1925

Kay Hettrich

Contact Press / Media

Dr. Kay Hettrich

Dynamische Wasserdampfsorption (DVS) | Quecksilberporosimetrie | Volumetrische Gasadsorption

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam

Telefon +49 331 568-1514

Daniel Pinkal

Contact Press / Media

Daniel Pinkal

Ellipsometrie

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam

Telefon +49 331 568-1916