TEM-Charakterisierung von Spuren energiereicher Ionen in Polymeren

Dicke kommerzielle Polymerfolien und mittels Ultramikrotomie hergestellte Dünnschnitte aus Polyethylenterephthalat (PET) und Polyimid (PI) werden mit verschiedenen Schwerionen (Zn, Se, Xe, Au, Pb und U) von etwa 11 MeV pro Nukleon bestrahlt. Die erzeugten Ionenspuren (Durchmesser ca. 10 nm) und strukturelle Materialänderungen werden mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Um die empfindlichen Polymerfolien gegenüber dem Elektronenstrahl ausreichend zu stabilisieren, werden die Proben chemisch mit OsO4 oder RuO4 kontrastiert. Dies führt zusätzlich zu einer Erhöhung des Bildkontrastes. Durch systematische Variation der Präparationsbedingungen gelingt es erstmalig Ionenspuren in PET, PI und in verschiedenen anderen Polymeren (Polycarbonat, Polysulfon, Polymethylmethacrylat und Triafol) mit höherer Qualität bis hin zur Hochauflösung abzubilden. Details der Kontrastmitteleinlagerung werden mit EDX und XPS analysiert. Außerdem dokumentiert die dynamische TEM Mikroskopie unter dem Elektronenstrahl extrem schnell ablaufende Probenschädigungsprozesse. Komplementäre Experimente mittels Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) zeigen gute Übereinstimmung der Ionspurradien aus TEM Untersuchungen an Ultradünnschnitten mit SAXS-Radien von dicken Proben. Werden die Folien nach der Ionenbestrahlung mit OsO4 kontrastiert, führt dies zu einer geringfügigen Spurvergrößerung. Spuren leichterer Ionenarten (z.B. Se) werden durch diese Vorbehandlung ‘sichtbar’. RuO4 hingegen ist für die Beladung dicker Proben weniger geeignet, da der Diffusionsprozess bereits in dünnen Oberflächenschichten stoppt. Darüber hinaus ergeben thermische Ausheilexperimente, daß unbehandelte Ionenspuren bis zu einer Temperatur von etwa. 120° C (PET) bzw. 300° C (PI) stabil sind. Kalorimetrische DSC Untersuchungen an PET-Folien deuten auf eine ionenstrahlinduziete Erniedrigung der Kristallinität.

Thick commercial polymer foils and thin sections (cut by ultramicrotomy) of polyethylene terephthalate (PET) and polyimide (PI) are irradiated with several heavy ions (Zn, Se, Xe, Au, Pb, and U) of about 11 MeV per nucleon. The resulting ion tracks (size around 10 nm) and structural changes are studied by transmission electron microscopy (TEM). In order to stabilize the polymer foils versus damage in the electron beam, the samples are chemically stained with OsO4 or RuO4. This also leads to an increase of the image contrast. By systematic varying the preparation conditions, first high quality images (including high resolution) are obtained for ion tracks in PET, PI and in various other polymers (polycarbonate, polysulfone, polymethylmethacrylate, and Triafol). Details of the staining mechanism are investigated by means of EDX and XPS. Dynamical TEM imaging allows the registration of extremely fast damage processes occurring under the electron beam. Complementing small-angle x-ray scattering (SAXS) experiments show good agreement between the track radii of ultrathin TEM-sections and the SAXS radii of bulk foils. Staining of samples after ion irradiation with OsO4 leads to a slight increase of the track radii. Thus applying this procedure, tracks of light ion species (e.g., Se) can be made ‘visible’. In contrary, RuO4 is less suitable for staining bulk samples because the diffusion process stops in a thin surface layer. From additional annealing experiments, it is deduced that tracks are thermally stable up to 120° C (PET) and 300° C (PI). Calorimetric DSC measurements on PET indicate an ion-induced decrease of the crystallinity of the foils.