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Determining the thickness and completeness of the shell of polymer core-shell nanoparticles by X-ray photoelectron spectroscopy, secondary ion mass spectrometry, and transmission scanning electron microscopy

  • Core–shell nanoparticles (CSNPs) have become indispensable in various industrial applications. However, their real internal structure usually deviates from an ideal core–shell structure. To control how the particles perform with regard to their specific applications, characterization techniques are required that can distinguish an ideal from a nonideal morphology. In this work, we investigated poly(tetrafluoroethylene)–poly(methyl methacrylate) (PTFE–PMMA) and poly(tetrafluoroethylene)–polystyrene (PTFE–PS) polymer CSNPs with a constant core diameter (45 nm) but varying shell thicknesses (4–50 nm). As confirmed by transmission scanning electron microscopy (T-SEM), the shell completely covers the core for the PTFE–PMMA nanoparticles, while the encapsulation of the core by the shell material is incomplete for the PTFE–PS nanoparticles. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was applied to determine the shell thickness of the nanoparticles. The software SESSA v2.0 was used to analyze theCore–shell nanoparticles (CSNPs) have become indispensable in various industrial applications. However, their real internal structure usually deviates from an ideal core–shell structure. To control how the particles perform with regard to their specific applications, characterization techniques are required that can distinguish an ideal from a nonideal morphology. In this work, we investigated poly(tetrafluoroethylene)–poly(methyl methacrylate) (PTFE–PMMA) and poly(tetrafluoroethylene)–polystyrene (PTFE–PS) polymer CSNPs with a constant core diameter (45 nm) but varying shell thicknesses (4–50 nm). As confirmed by transmission scanning electron microscopy (T-SEM), the shell completely covers the core for the PTFE–PMMA nanoparticles, while the encapsulation of the core by the shell material is incomplete for the PTFE–PS nanoparticles. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was applied to determine the shell thickness of the nanoparticles. The software SESSA v2.0 was used to analyze the intensities of the elastic peaks, and the QUASES software package was employed to evaluate the shape of the inelastic background in the XPS survey spectra. For the first time, nanoparticle shell thicknesses are presented, which are exclusively based on the analysis of the XPS inelastic background. Furthermore, principal component analysis (PCA)-assisted time-of-flight secondary-ion mass spectrometry (ToF-SIMS) of the PTFE–PS nanoparticle sample set revealed a systematic variation among the samples and, thus, confirmed the incomplete encapsulation of the core by the shell material. As opposed to that, no variation is observed in the PCA score plots of the PTFE–PMMA nanoparticle sample set. Consequently, the complete coverage of the core by the shell material is proved by ToF-SIMS with a certainty that cannot be achieved by XPS and T-SEM.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Anja MüllerORCiD, Thomas Heinrich, S. Tougaard, W. S. M. Werner, M. Hronek, Valentin Kunz, Jörg RadnikORCiD, Jörg M. Stockmann, Vasile-Dan HodoroabaORCiD, Sigrid Benemann, Nithiya Nirmalananthan-Budau, Daniel GeißlerORCiD, K. Sparnacci, Wolfgang UngerORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):The journal of physical chemistry C
Jahr der Erstveröffentlichung:2019
Organisationseinheit der BAM:6 Materialchemie
6 Materialchemie / 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:American Chemical Society
Verlagsort:Washington, DC
Jahrgang/Band:123
Ausgabe/Heft:49
Erste Seite:29765
Letzte Seite:29775
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Freie Schlagwörter:Core-shell nanoparticles; T-SEM; ToF-SIMS; XPS
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Chemie und Prozesstechnik
DOI:10.1021/acs.jpcc.9b09258
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-499165
Zugehöriger Identifikator:https://opus4.kobv.de/opus4-bam/frontdoor/index/index/docId/50545
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International
Datum der Freischaltung:11.12.2019
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:20.01.2020
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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