@phdthesis{Niederdraenk2009,
  author    = {Niederdraenk, Franziska},
  title     = {Ensemble-Modellierung von R{\"o}ntgenbeugungsdaten zur Strukturbestimmung von Nanopartikeln},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-52218},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war es, die geometrische Struktur von Nanopartikeln mittels Pulver-R{\"o}ntgenbeugung und einem neuen Analyse-Verfahren, der Ensemble-Modellierung (EM), zu ermitteln. Die genaue Aufkl{\"a}rung der kristallinen Struktur ist ein Schl{\"u}ssel f{\"u}r die Entwicklung exakter theoretischer Modelle und damit f{\"u}r ein besseres Verst{\"a}ndnis der Nanoteilchen und deren Eigenschaften. Dabei fußt die Methode auf einem atomaren Modell und berechnet daraus das Beugungsbild der Teilchen. Neben der Auswertung verschiedener Proben sollte ebenso das Potential der Methode {\"u}berpr{\"u}ft werden - auch im Vergleich zu Standardmethoden wie der Rietveld-Verfeinerung oder einer Einzellinien-Anpassung. Im Gegensatz zur EM beinhalten letztere kein explizites Nanoteilchenmodell. Insgesamt kamen drei typische Nanopartikel-Systeme zum Einsatz: Zun{\"a}chst wurden f{\"u}nf ZnO-Proben untersucht, die aufgrund ihrer verschiedenen Liganden deutlich unterschiedliche Partikelgr{\"o}ßen zeigten. Die pr{\"a}sentierten CdS-Nanoteilchen bildeten dagegen mit unter 100 Atomen bereits den {\"U}bergang zur Clusterphysik. Das letzte Kapitel stellte schließlich drei Proben mit deutlich komplexeren Core-Shell-Partikeln vor, welche aus einem CdSe-Kern und einer ZnS-Schale bestehen. Dabei konnten mit Hilfe der EM f{\"u}r alle Systeme sehr viel detailliertere Aussagen gemacht werden, als mit den Standardmethoden. Anhand der ersten vorgestellten ZnO-Probe wurde gezeigt, wie man sich bei der Auswertung mit der EM schrittweise dem besten Modell n{\"a}hert, indem man, startend mit der Partikelform, anschließend weitere komplexe Merkmale implementiert. In dem ZnO-Kapitel wurde ersichtlich, dass die Liganden eine große Rolle spielen - nicht nur f{\"u}r die Gr{\"o}ße der Nanopartikel, sondern auch f{\"u}r deren Qualit{\"a}t. Weiterhin wurde festgestellt, dass der Ligand TG beinahe defektfreie Nanoteilchen liefert, w{\"a}hrend die Stabilisatoren DACH und DMPDA den Einbau von Stapelfehlern beg{\"u}nstigen. In den jeweiligen Vergleichen mit der Rietveld- und Einzellinien-Anpassung fiel auf, dass diese Methoden f{\"u}r kleine Nanoteilchen Resultate liefern, die als deutlich weniger vertrauensw{\"u}rdig einzustufen sind als jene, die mit der EM erhalten wurden. Der Grund sind die f{\"u}r kleine Teilchen nicht vernachl{\"a}ssigbaren Faktoren wie eine (anisotrope) Form, Oberfl{\"a}cheneffekte, Parameter-Verteilungen etc., welche nur mit der EM ber{\"u}cksichtigt werden k{\"o}nnen. Noch ungenauer f{\"a}llt die Analyse per Absorptionsspektroskopie plus theoretischen Methoden aus. Die einzige CdS-Probe wies mit ca. 1.3 nm Durchmesser besonders kleine Nanoteilchen auf. Das zugeh{\"o}rige Beugungsbild zeigte daher nur noch sehr wenige Strukturen, was bereits die Bestimmung der Kristallstruktur erschwerte. Bei nur noch einigen gestapelten Schichten verloren auch die Stapelfehler ihre urspr{\"u}ngliche Bedeutung. Die maßgebliche Frage bestand somit darin, ob man bei Kristalliten mit unter 100 Atomen noch von einer "normalen" Kristallstruktur sprechen kann, oder ob hier bereits andere Strukturformen vorliegen, z.B. {\"a}hnlich den C60-Molek{\"u}len. Da die EM solche Hohl-Strukturen ebenfalls simulieren kann, w{\"a}re der n{\"a}chste Schritt, diese f{\"u}r sehr kleine Partikel im Vergleich zu den {\"u}blichen Kristallstrukturen zu testen. Bei den drei betrachteten Core-Shell-Proben zeigte die EM abermals ihre große St{\"a}rke, indem sie es erm{\"o}glichte, die deutlich komplexeren Teilchen realistisch zu simulieren. So war es m{\"o}glich, die experimentellen R{\"o}ntgenbeugungs-Daten hervorragend wiederzugeben, was mit keiner der Standardmethoden gelang. Hierf{\"u}r war es n{\"o}tig, neben dem CdSe-Kern eine zus{\"a}tzliche ZnS-Schalenstruktur einzuf{\"u}hren. Zwar konnte bei den Proben mit der EM alleine nicht eindeutig festgestellt werden, welcher ZnS-Schalentypus vorliegt, es wurden jedoch diverse Anhaltspunkte gefunden, die f{\"u}r ein lokal-epitaktisches Wachstum auf dem CdSe-Kern sprechen. F{\"u}r die Methode der EM selbst l{\"a}sst sich in der Retrospektive folgendes fest halten: Sie ist den Standard-Techniken wie der Rietveld-Verfeinerung f{\"u}r sehr kleine Nanopartikel deutlich {\"u}berlegen. Der Grund daf{\"u}r sind die vielf{\"a}ltig modellierbaren Strukturen, welche Defekte, Oberfl{\"a}cheneffekte, Parameterverteilungen etc. beinhalten k{\"o}nnen. Ein weiterer großer Pluspunkt der EM gegen{\"u}ber anderen Methoden besteht in der M{\"o}glichkeit, die immer popul{\"a}rer werdenden Core-Shell-Partikel mit vielf{\"a}ltigen Schalenarten zu simulieren, wobei hier auch noch weitere komplexere Optionen f{\"u}r Schalen, z.B. zweierlei Schalen (Core-Shell-Shell-Teilchen), vorstellbar sind. Die Tatsache, dass all diese Merkmale zudem intrinsisch in dem berechneten Beugungsbild enthalten sind, ist von besonderem Gewicht, da dies bedeutet, keine k{\"u}nstlichen Parameter einf{\"u}hren und diese interpretieren zu m{\"u}ssen. Solange eine gewisse Atomanzahl pro Partikel nicht {\"u}berschritten wird, und v.a. bei defektbehafteten Nanoteilchen, stellt die EM somit die erste Wahl dar.},
  subject      = {Nanopartikel},
  language  = {de}
}