Ein Durchbruch in der Elektronenoptik

News: Ein Durchbruch in der Elektronenoptik

Einer Forschergruppe der Technischen Universität Darmstadt, des European Molecular Biology Laboratory (EMBL) und des Forschungszentrums Jülich ist es erstmals gelungen, ein Elektronenmikroskop mit fehlerkorrigierter Optik zu bauen. Bis vor wenigen Jahren war dies für technisch kaum realisierbar gehalten worden.

Wer sich heute eine Kamera, ein Fernglas oder ein Mikroskop kauft, muß sich im allgemeinen kaum mehr Sorgen um die Qualität der ihm angebotenen Optik machen. Dahinter steht eine lange Entwicklung: Galilei baute 1608 sein erstes Fernrohr und 1614 sein erstes Mikroskop aus jeweils zwei einzelnen Linsen, die er sich vom Brillenmacher hatte schleifen lassen.

Es dauerte über 250 Jahre, bis Ernst Abbe eine Möglichkeit gefunden hatte, die im Grunde unvermeidlichen Abbildungsfehler sphärischer Linsen unschädlich zu machen. Er ersetzte die Einzellinse durch ein System von vielen Linsen, deren Form und Brechkraft so gewählt werden, daß sich die Abbildungsfehler gegenseitig gerade aufheben und eine für praktische Zwecke weitgehend fehlerkorrigierte Optik entsteht.

Von solchen Qualitäten konnte die Elektronenoptik bislang nur träumen. Zwar standen im "Übermikroskop", wie es sein Erfinder und späterer Nobelpreisträger Ernst Ruska nannte, schon wenige Jahre nach Ruskas erster Publikation im Jahre 1932 weit höhere. Vergrößerungen zur Verfügung als sie das Lichtmikroskop je erreichen konnte.

Trotzdem blieb die Auflösung weit hinter den Erwartungen zurück. Nach den Gesetzen der Optik liegt die physikalische Grenze der Auflösung etwa bei der Wellenlänge der zur Abbildung verwendeten Strahlung. Ein typisches Transmissionselektronenmikroskop der neuesten Generation erreicht aber mit etwa 0,2 Nanometern, das sind zwei hundertmillionstel Zentimeter (zum Vergleich: Im Halbleiter Silicium sind benachbarte Atome 0,23 Nanometer voneinander entfernt), nur eine rund hundertfach schlechtere Auflösung als dies die Wellenlänge der Elektronen erlauben würde. Der Grund dafür: Bis vor kurzem gab es keine Möglichkeit, die Abbildungsfehler von Elektronenlinsen zu beseitigen.

Ende der 80er Jahre berechnete Harald Rose, Professor für Angewandte Physik an der Technischen Universität Darmstadt, ein Korrektursystem für den für die Auflösung besonders kritischen Fehler elektromagnetischer Linsen, die sogenannte sphärische Aberration. Das Besondere daran ist, daß man die klassische runde Elektronenlinse mit unrunden Elementen – magnetischen Sechspolen – kombiniert, die wie eine Brille die Fehlsichtigkeit korrigieren, so daß ein für praktische Zwecke weitgehend fehlerfreies optisches Gesamtsystem entsteht.

Zwischen 1991 und 1997 wurde in Heidelberg am EMBL ein aberrationskorrigiertes Transmissionselektronenmikroskop gebaut, das inzwischen im Forschungszentrum Jülich für Probleme der Materialforschung – insbesondere für die Informationstechnik – eingesetzt wird.

Das neue Mikroskop ist auf der Basis eines kommerziellen Philips-Mikroskops vom Typ CM200 FEG aufgebaut und verfügt über einen Korrektor der sphärischen Aberration, der der Objektivlinse nachgeschaltet ist. Die komplizierte und für die Funktion kritische hochpräzise Justierung der Sechspolelemente besorgt ein Computer.

Es gelang den Forschern, das Auflösungsvermögen ihres Mikroskops von den 0,24 Nanometern des Grundgeräts auf 0,13 Nanometer fast zu verdoppeln. Erste Aufnahmen wurden in Nature (Bd. 392, S. 768) veröffentlicht.

Die Wissenschaftler sind der Überzeugung, daß korrigierte Optik schon bald zum Standard hochwertiger Elektronenmikroskope sowie anderer Elektronenstrahlgeräte gehören wird.

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