Methoden | AK Bonn

Methoden | AK Bonn

In unserem Arbeitskreis kombinieren wir verschiedene Methoden, um die mikroskopischen Mechanismen unserer drei Forschungsschwerpunkte Wasser, Biomoleküle und Ladungsträgerdynamik besser zu verstehen. Basierend auf unseren Messungen haben wir Modelle zur Beschreibung der Systeme entwickelt, die dann mit weiteren Experimenten getestet werden.

Infrarot- und zweidimensionale Infrarotspektroskopie

Infrarot-Absorptionsspektren zeigen empfindlich molekulare Schwingungen auf und ermöglichen es, die Auswirkungen der Umgebung auf solche molekularen Schwingungen zu detektieren. In der ultraschnellen Infrarot-Pump-Probe-Spektroskopie und der zweidimensionalen Infrarotspektroskopie (2D-IR) wird ein kurzer und intensiver Infrarot-Laserpuls verwendet, um eine bestimmte Schwingung durch Schwingungsanregung zu "markieren". Die zeitliche Entwicklung dieser Anregung liefert Informationen über den Energietransport oder die molekulare Bewegung in Echtzeit. Die Kopplung einer angeregten Schwingung mit anderen Molekülschwingungen, die in einem 2D-IR-Experiment untersucht werden kann, liefert direkte Hinweise auf molekulare Wechselwirkungen.

Raman

Die Raman-Streuung ist die unelastische Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern. Die Raman-Spektroskopie berichtet über die Schwingungs- (oder Rotations- oder Phononen-) Moden des untersuchten Systems und liefert chemische Informationen über Moleküle und deren Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Monochromatisches Licht (meist von einem CW-Laser im Sichtbaren, nahen IR oder UV) wird zur Anregung verwendet, und der Raman-Shift, d.h. die Energiedifferenz zwischen der einfallenden und der gestreuten Strahlung, gibt Auskunft über die charakteristischen Schwingungs- (oder Rotations- oder Phononen-) Moden des Systems nach den Raman-Auswahlregeln. Ramanspektren liefern, komplementär zur IR-Spektroskopie, Informationen zu molekularen Schwingungen.

Oberflächen- und Spitzen-verstärkte Raman Spektroskopie

Oberflächen- und Spitzen-verstärkte Ramanspektroskopien basieren auf plasmonischen Nahfeldeffekten, die die Raman-Streuung um bis zu sieben Größenordnungen verstärken können und so die Raman-Schwingungsspektroskopie an wenigen Molekülen, wie sie in Oberflächenadlayern vorhanden sind, oder in Sonderfällen sogar an einzelnen Streuern ermöglicht. In Kombination mit einer elektrochemischen Plattform sind SERS- oder TERS-Studien an elektrifizierten Fest-Flüssig-Grenzflächen möglich.

Kohärente Anti-Stokes-Ramanspektroskopie

Eine Möglichkeit, die von Natur aus schwache Raman-Streuung an Molekülen zu verstärken, besteht darin, die kohärente Streuung mit kurzen, intensiven Laserpulsen zu erzwingen. In der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS) interagieren drei Photonen mit den Molekülen, so dass ein viertes Photon bei der Anti-Stokes-Energie gestreut wird. Durch die kohärente Signalemission und die nichtlineare Natur der Wellenmischung wird das CARS-Signal im Vergleich zur konventionellen Raman-Streuung um drei bis fünf Größenordnungen erhöht, was CARS zu einem wertvollen neuartigen Werkzeug für die quantitative in situ Beobachtung dynamischer molekularer Prozesse im Mikromaßstab macht. CARS wird häufig im Bereich der bio(medizinischen) Bildgebung eingesetzt und wurde erst kürzlich im Bereich der Materialwissenschaften angewandt.

THz-Spektroskopie

Mit einem Energiebereich von 1-100 meV ist die Terahertz-Spektroskopie ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung von niederenergetischen Übergängen und von Ladungsträgern (z.B. freie Ladungsträger, Polaronen und Exzitonen) in anorganischen/organischen Feststoffen und deren Nanostrukturen. Mit Hilfe der optischen Pump-THz-Probe-Spektroskopie können die Dynamik der Ladungsträgergenerierung (z.B. Hot carrier cooling und Exzitonbildung), der Transport durch die photoaktiven Materialien (z.B. Ladungsstreuzeit und Mobilität) und der Ladungstransfer durch Grenzflächen direkt mit Sub-ps-Zeitauflösung untersucht werden.

Dielektrische Spektroskopie

Dielektrische Spektroskopie misst die Polarisation einer Substanz als Antwort einer Probe auf ein extern angelegtes, oszillierendes elektrisches Feld. Bei Mikrowellen- bis Terahertz-Frequenzen ergibt sich die Polarisation von Flüssigkeiten durch Rotation von Dipolen und/oder kurzreichweitige Fluktuationen von Ionen. Damit ermöglicht die dielektrische Spektroskopie die Quantifizierung von molekularen Dipolmomenten  und deren Rotationsmobilität. Die Bildung von molekularen oder ionischen Aggregaten (wie z.B. Ionenpaaren) mit großen elektrischen Dipolen kann zur Quantifizierung intermolekularer Wechselwirkungen und Solvatation verwendet werden.

Zweidimensionale Terahertz-Infrarot-Sichtbare (2D TIRV) Spektroskopie

Die zweidimensionale Terahertz-Infrarot-Sichtbare (2D TIRV)-Spektroskopie misst Korrelationen (Kopplungen) zwischen den niederfrequenten Schwingungen (im Terahertz-Frequenzbereich) und hochfrequenten Schwingungen (im mittleren Infrarot-Frequenzbereich). Diese kohärente nichtlineare Spektroskopie verwendet die Mischung von Terahertz (THz), Infrarot (IR) und sichtbaren Laserpulsen in einer Probe, um neue Signalwellen zu erzeugen. Das ausgesendete Signal wird für verschiedene THz- und IR-Frequenzen gemessen. Das Signal wird verstärkt, wenn der THz- und der IR-Puls resonant mit nieder- und hochfrequenten Molekülschwingungen wechselwirken und wenn diese Schwingungen gekoppelt sind. Informationen über die gekoppelten Schwingungen geben neue Einblicke in die Natur der niederfrequenten Moden, die intramolekulare Bewegungen großer Molekülsegmente oder intermolekulare Bewegungen von Molekülen relativ zueinander sind.

Oberflächenempfindliche nichtlineare optische Methoden

Summenfrequenzerzeugung und Erzeugung der zweiten harmonischen Frequenz (SFG und SHG) sind zu zuverlässigen Werkzeugen geworden, die oberflächenspezifische Informationen liefern. In einem SFG-Experiment werden ein Infrarot- (IR) und ein sichtbarer (VIS) Laserpuls an einer Oberfläche zeitlich und räumlich überlagert, was zur Erzeugung von Photonen bei der Summenfrequenz der IR- und VIS-Frequenzen führt. Schwingungsinformationen werden gewonnen, wenn die IR-Frequenz mit einer Schwingungsmode in Resonanz gebracht wird. SHG ist der entartete Fall von SFG, wenn nur ein Laserstrahl verwendet wird und Photonen mit der doppelten Frequenz des einfallenden Lasers erzeugt werden. Informationen über einen elektronischen Übergang können bei SHG erhalten werden, wenn entweder die Frequenz des einfallenden Lasers oder die emittierten, frequenzverdoppelten Photonen mit einem elektronischen Übergang resonant sind. SFG und SHG verdanken ihre Oberflächenspezifität der Auswahlregel, dass die Symmetrie gebrochen werden muss, was offensichtlich an der Phasengrenze zwischen zwei Medien gilt.

Diese Methoden können in verschiedenen Modi verwendet werden und können Informationen über molekulare Ausrichtung, Kinetik und Dynamik an planaren Grenzflächen aber auch an der Oberfläche von Nanopartikeln liefern.

Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)

XPS ist eine Oberflächentechnik mit hoher Oberflächenempfindlichkeit (~10 nm) und niedriger elementarer Nachweisgrenze (~0,1 %). Für eine XPS-Messung wird die Probe im Ultrahochvakuum platziert und mit Röntgenstrahlen mit gegebener Energie bestrahlt; dies führt zur Ionisierung der Atome und zur Emission der Kernelektronen. Die Analyse der emittierten Photoelektronen liefert Informationen über die Oberflächenarten einschließlich der elementaren Zusammensetzung, des chemischen Zustands und der molekularen Struktur.

Langmuir-Trog

Tenside an der Luft/Wasser-Grenzfläche bilden Langmuir-Monoschichten und können durch Schließen einer Barriere in einem Trog auf einen bestimmten Flächendruck oder auf eine bestimmte Fläche pro Molekül komprimiert werden. Der Trog ist in der Regel mit einem vertikalen Sensor ausgestattet, der es mittels Langmuir-Blodgett oder Langmuir-Schaefer Verfahren ermöglicht, die komprimierte Monoschicht auf feste Substrate zu übertragen und auch die Aufnahme von Oberflächenisothermen ermöglicht.

Brewster Winkelmikroskopie

Der Brewster-Winkel ist ein spezieller Einfallswinkel, bei dem kein p-polarisiertes Licht von der Luft-Wasser-Grenzfläche reflektiert wird. Bei diesem Einfallswinkel ist ein aufgenommenes Bild der Oberfläche in p-Polarisation also völlig dunkel. Durch die Verteilung von Tensidmolekülen an der Luft-Wasser-Grenzfläche ändert sich der Reflexionskoeffizient für p-polarisiertes Licht und damit die reflektierte Intensität. Die so von der Kamera aufgenommenen Bilder zeigen die Bildung der Monoschicht (grau auf dunklem Hintergrund) und geben Aufschluss über ihre Morphologie.

Ellipsometrie

Die Ellipsometrie ist eine lineare optische Methode, die die Änderung der Lichtpolarisation bei der Interaktion mit einer Probe misst. Bei Verwendung einer einzigen Wellenlänge, kann die Dicke einer Schicht bei bekanntem Brechungsindex bestimmt werden.

Simulation der Molekulardynamik

MD-Simulation werden zur Beobachtung der molekularen Bewegung im zeitlichen Verlauf verwendet. Durch die Kombination von MD-Simulation mit der Modellierung von Schwingungsspektren sind wir in der Lage, die Schwingungsspektren vorherzusagen. Wir verwenden derzeit sowohl ab initio Molekulardynamik-Simulationen als auch Kraftfeld-Molekulardynamik-Simulationen.

Mikroskopie

Mikroskopische Untersuchungen sind sowohl in konfokaler als auch in Weitwinkelgeometrie verfügbar. Diese werden mit verschiedenen nichtlinearen optischen Verfahren der Licht-Materie-Interaktion, wie zum Beispiel der stimulierten Raman-Streuung, kombiniert.

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