Schnelle Materialanalyse von Oberflächen und Beschichtungen mittels Laser-Induzierter Plasmaspektroskopie (LIBS)

Die Laser-Induzierte Plasmaspektro­skopie, auch als Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) bezeichnet, bietet als innovatives optisches Oberflächenanalyseverfahren ein breites Anwendungsspektrum. Mit dieser Messmethode ist es möglich, die Elementzusammensetzung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen berührungslos zu bestimmen. Am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle (Saale) wird die LIBS-Technologie in Kombination mit leistungsfähigen Auswertungsalgorithmen eingesetzt, um sehr schnell präzise Multi-Elementanalysen durchzuführen. In einer kürzlich veröffentlichten Studie, in der die Ermittlung des Fluorverlusts beim Schmelzen bioaktiver Gläser und Glaskeramiken untersucht wurde, bewiesen die Mitarbeitenden des Fraunhofer CSP die Leistungsstärke der LIBS.

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Die leistungsfähigen Auswertungsalgorithmen des LIBS-Systems ermöglichen schnelle und präzise Analysen zu Vorkommen und Konzentrationen der Elemente im Messfleck der untersuchten Probe.

Die Anwendungsmöglichkeiten des spektroskopischen Messverfahrens LIBS für die qualitative und quantitative Elementanalyse sind vielfältig und reichen von grundlagenorientierter Elementanalytik im Vakuum über kontaktfreie Entfernungsmessungen in beispielsweise radioaktiver Umgebung bis hin zur Klassifizierung von Rohstoffen für das Recycling sowie die Online-Qualitätskontrolle bei der industriellen Produktion. Das Prinzip der LIBS basiert dabei auf der spektralen Analyse von elementspezifischen Emissionslinien. Ein hochenergetischer Kurzpuls-Laserstrahl schlägt eine winzige Menge, typischerweise wenige µm3, aus der Probenoberfläche heraus, woraufhin sich unter lokaler Erwärmung von bis zu 10.000 °C ein Licht emittierendes Plasma bildet. Das Plasma leuchtet mit einem materialspezifischen Lichtspektrum, wobei die spektrale Verteilung des Lichtes unmittelbar in Echtzeit aufgenommen wird. Aus diesen Daten kann die exakte Elementverteilung am Messpunkt bestimmt werden. Durch die Laser-Induzierte Plasmaspektro­skopie ist eine simultane Messung einer Vielzahl von chemischen Elementen möglich.

Seit 2019 wird LIBS am Fraunhofer CSP erfolgreich für die Analyse von Elementgehalten und Verteilungen eingesetzt. »Wir unterstützen unsere Kunden und Partner aus der Industrie sowie öffentliche Auftraggeber mit unserer Expertise im Bereich der Plasmaspektroskopie und helfen beispielsweise bei der Kontrolle von Beschichtungsprozessen, der Optimierung von Recyclingvorgängen oder bei der Entwicklung von in-line-fähiger Materialkontrolle. Dabei nutzen wir die Vorteile, die LIBS gegenüber konkurrierenden Methoden bietet: Die Analyse erfolgt berührungslos, der Probenabtrag ist gering und es ist keine oder kaum Probenvorbereitung notwendig« sagt Stefanie Wahl, technische Mitarbeiterin am Fraunhofer CSP.

Die Leistungsfähigkeit dieser Methode beispielsweise für die Ermittlung des Verlusts des Fluoranteils beim Schmelzen bioaktiver Gläser und Glaskeramiken hat das Fraunhofer CSP gerade in einer gemeinsamen Studie mit Mitarbeiterinnen des Otto-Schott-Instituts für Materialforschung nachgewiesen. Bei den Analysemethoden fiel die Auswahl auf LIBS, weil diese Methode »die Fluor-Quantifizierung mit reduzierter Analysezeit und mit einer hohen räumlichen Auflösung ermöglicht«, ergänzt Stefanie Wahl.