Wie stark haften Nanopartikel?

05.01.2026

Wie fest Nanopartikel auf Oberflächen haften, ist entscheidend für Anwendungen in Katalyse, Elektronik oder Energiesystemen. Eine neue Studie der Montanuniversität Leoben zeigt nun, dass die Haftung von Kupfernanopartikeln auf Silizium nicht einfach mit ihrer Grösse zunimmt – sondern ein deutliches Maximum im Bereich weniger Nanometer aufweist. Atomkraftmikroskopie ermöglicht dabei erstmals eine quantitative Bestimmung der Separationsarbeit einzelner Partikel.

Nanopartikel gezielt manipulieren und messen

In der neuen Studie wurden Kupfernanopartikel mit Durchmessern zwischen 1 und 18 Nanometern mittels Magnetron-Sputtern auf Siliziumsubstrate abgeschieden. Durch unterschiedliche Substrat-Bias-Spannungen ließ sich ihre Auftreffenergie gezielt steuern. Mithilfe eines Atomkraftmikroskops (AFM) wurden die einzelnen Partikel anschliessend mechanisch verschoben. Aus den dabei gemessenen lateralen Kräften und Verschiebungswegen berechneten die Forschenden die sogenannte „Arbeit der Separation“ – ein Mass für die effektive Haftung zwischen Nanopartikel und Oberfläche.

AFM-Topografiebilder (1 × 1 μm²) von Cu-Nanopartikeln (NP) auf Si, abgeschieden bei einer Bias-Spannung von 10 V, mit einem Scanwinkel von 90° und einer z-Skala von 14 nm. Die roten, grünen und weissen Kreise markieren drei Beispiele für die Manipulation von NP: (a) der erste Scan zur Abbildung von Cu-NP, (b) der zweite Scan, bei dem die NP verschoben werden, und (c) der dritte Scan, der die Entfernung der NP von der Oberfläche zeigt. Die entsprechenden 3D-Bilder der grünen Kreise in (a), (b) und (c) sind in (d), (e) und (f) dargestellt. Die schwarzen Punkte in (c) sind „Löcher”, die von den verschobenen NP hinterlassen wurden.

Maximale Haftung bei 6 bis 12 Nanometern

Die Ergebnisse zeigen ein nichtlineares Verhalten: Die stärkste Haftung trat bei Partikeln mit Durchmessern zwischen etwa 6 und 12 Nanometern auf. Kleinere wie auch grössere Nanopartikel ließen sich mit geringerem Energieaufwand ablösen. Auch eine höhere Auftreffenergie – erzeugt durch höhere Bias-Spannungen – führte nicht automatisch zu stärkerer Haftung. Damit widersprechen die Resultate der weit verbreiteten Annahme, dass größere oder energiereicher abgeschiedene Nanopartikel grundsätzlich stabiler auf Oberflächen haften.

Separationsarbeit als Funktion des NP-Durchmessers, bestimmt für Cu-NPs, die bei einer Vorspannung von 0 V auf Si abgeschieden wurden, unter Verwendung (a) der Keil- und (b) der D-LFC-Kalibrierungsmethode.

Relevanz für Design und Anwendung von Nanomaterialien

Die Studie unterstreicht den Wert der Atomkraftmikroskopie als Werkzeug zur quantitativen Charakterisierung von Haftung auf der Nanoskala. Besonders wichtig ist dabei der Fokus auf Energie statt nur auf maximale Kräfte. Die Erkenntnisse liefern wichtige Hinweise für das gezielte Design von Nanopartikel-Substrat-Systemen – etwa um Haftung zu maximieren, wie in der Katalyse, oder gezielt zu reduzieren, wie in nano- und mikroelektromechanischen Systemen. Gleichzeitig zeigen sie, dass Haftung auf der Nanoskala das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels aus Partikelgrösse, Auftreffenergie und Materialeigenschaften ist.

Originalartikel

A. Çiçek, M. Kratzer, C. Teichert und C. Mitterer, Quantitative estimation of nanoparticle/substrate adhesion by atomic force microscopy, Beilstein J. Nanotechnol. 2026, 17, 1–14  (open access)

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