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Montag, 23.01.2017
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„Spiegel“ schärft Elektronenmikroskopen den Blick

Kombination aus Spektroskop und Mikroskop entwickelt

Elektronenmikroskope sind unverzichtbar für den Blick in die Welt des Kleinsten. Jetzt haben Forscher ein neuartiges „Spektro- Elektronenmikroskop“ entwickelt, das nicht eine höhere Auflösung erreicht, sondern auch chemische, elektronische und magnetische Informationen einer Probe gewinnen kann.
Die Nanotechnologie ist eines der großen Wissenschaftsfelder der Zukunft. Strukturen und Partikel, die nur wenige Nanometer (also wenige Millionstel Millimeter) groß sind, spielen schon heute eine wichtige Rolle und werden in Zukunft noch verstärkt zum Einsatz kommen. Deswegen benötigen Wissenschaftler immer bessere Instrumente, mit denen sie Untersuchungen auf der Nanometerskala durchführen können.

Wilfried Engel vom Fritz-Haber-Institut, Dirk Preikszas von Carl Zeiss und Thomas Schmidt von der Universität Würzburg haben ein Spektro-Elektronenmikroskop entwickelt - ein Gerät, welches die Mikroskopie mit der Spektroskopie verknüpft -, dessen Auflösung deutlich höher ist als die vergleichbarer Geräte und das zudem ein sehr viel stärkeres Signal liefert. Für diese Entwicklung, die sie SMART getauft haben, wurden sie am Donnerstag mit dem Innovationspreis Synchrotronstrahlung gewürdigt.

Elektronen vielseitiger als Licht


Ähnlich wie mit Licht lassen sich mit Elektronen kleine Strukturen abbilden, da sich gemäß dem Welle-Teilchen-Dualismus Elektronen auch wie eine Welle verhalten. Allerdings liefert die Elektronenmikroskopie nicht nur eine bis zu 20.000fach bessere Auflösung als die Lichtmikroskopie, sie ist auch vielseitiger, weil sie sich mit verschiedenen Messmethoden kombinieren lässt.


So lässt sich nicht nur die Oberflächenstruktur einer Probe mit "externen" Elektronen abbilden, die aus einer Elektronenkanone auf die Probe geschossen und dort reflektiert werden. Es lassen sich auch Abbildungen mit Photoelektronen erzeugen, die durch die Bestrahlung mit Synchrotronlicht beispielsweise von BESSY aus der Probe herausgelöst werden. Deshalb wird diese Mikroskopart als Photoelektronen- Emissionsmikroskop (PEEM) bezeichnet. Da die Photoelektronen direkt aus dem Material kommen, tragen sie die für die Nanotechnologie wichtigen Informationen über chemische, elektronische und magnetische Eigenschaften der Probe, die durch geeignete spektroskopische Verfahren analysiert werden können.

Keine konkaven Linsen möglich


In der Elektronenmikroskopie ersetzen magnetische oder elektrostatische Linsen die Glaslinsen in der Lichtmikroskopie. Während aber die Abbildungsfehler der Glaslinsen nahezu vollständig unter anderem durch Kombinationen konkaver und konvexer Linsen korrigiert werden können und die Auflösung nur noch durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt wird, lassen sich keine konkaven Linsen für Elektronen konstruieren. Durch die Verwendung von Blenden erreichte man bisher bei PEEMs eine bestmögliche Auflösung von rund zehn Nanometern, das ist rund zehnmal schlechter als prinzipiell möglich. Zudem wird die Abbildung durch das Ausblenden eines Teils des Elektronenstrahls deutlich "dunkler". Dies erschwert bspw. die Beobachtung von zeitaufgelösten Prozessen oder strahlungsempfindlichen Proben.

Heller und Auflösungsstärker


Bei SMART gelang es nun den Physikern, die Linsenfehler mit Hilfe eines speziellen optischen Elementes zu korrigieren, und zwar mit einem Elektronenspiegel. Dadurch wird die Auflösung nicht nur auf unter drei Nanometer verbessert, auch der Einsatz der Blenden ist nahezu überflüssig, so dass das Elektronenbild rund hundertmal "heller" ist als bei herkömmlichen Elektronenmikroskopen.

Alle Methoden, die SMART vereint, könnten zum Beispiel bei der Untersuchung neuartiger katalytischer Materialien eingesetzt werden, welche aus speziellen Nanoclustern auf geeigneten Oberflächen bestehen: Hierbei könnte die katalytische Wirkung einzelner Cluster in Abhängigkeit von Zusammensetzung, Größe und Abstand zu benachbarten Clustern bestimmt werden. Dabei könnten alle Untersuchungen unmittelbar hintereinander an Ort und Stelle an ein und derselben Probe gemacht werden. Andere Forschungsgebiete wären beispielsweise die Untersuchung von Kristallwachstum, von Quantenpunkten oder von magnetischen Speichern.
(BESSY, 08.12.2006 - NPO)
 
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