Keramische Materialien auf der Basis von Oxiden mit Perowskitstruktur – zu ihnen gehören Barium- oder Strontiumtitanat – spielen eine große Rolle in der modernen Elektronik. Bereits heute werden sie vielfach eingesetzt: zum Beispiel als Chip in Telefon- oder Geldkarten.

Perowskite sind auch das Basismaterial für Hochtemperatursupraleiter und sollen in dieser Form künftig auch zunehmend in der Mikroelektronik Einsatz finden. Dazu muss das Material in dünnsten Schichten von nur einigen zehn bis einigen hundert Atomlagen vorliegen. Besonders wichtig dabei ist der exakte Sauerstoffgehalt dieser Oxide, der über eine große Zahl von Prozessschritten bei der Bauelementherstellung peinlich genau einzuhalten ist.

"Der Sauerstoffgehalt bestimmt kritisch die elektrischen Eigenschaften der perowskitischen Oxide", erläutert Knut Urban vom Forschungszentrum Jülich das Problem. "Da bereits das Fehlen weniger Sauerstoffatome in den elektrisch aktiven Zonen der dünnen Schichten deren Funktion ernsthaft beeinträchtigt, müssen diese mit quasi-atomarer Präzision hergestellt werden."

Mit der Durchstrahlungs- beziehungsweise Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) lässt sich prinzipiell kontrollieren, ob diese atomare Präzision tatsächlich gegeben ist. Daher bemühen sich Forscher seit Ende der achtziger Jahre, die Sauerstoffatome im Mikroskop direkt sichtbar zu machen – bislang aber ohne Erfolg. Dabei ist das Grundprinzip der Elektronenmikroskopie einfach: Ein Elektronenstrahl durchdringt eine dünne Probe. Die austretenden Elektronen werden durch ein elektromagnetisches Linsensystem geführt und von diesem zu einem stark vergrößerten Bild zusammengestellt – das Bild entsteht also genauso wie bei einem optischen Mikroskop, nur das eben Elektronen und nicht Lichtquanten die Struktur abbilden. Doch wie beim optischen Mikroskop führen auch beim TEM verschiedene Ursachen zu verzerrten Bildern, die keine einzelnen Sauerstoffatome mehr erkennen lassen.

Urban ist hierbei mit seinen Kollegen Chun Lin Jia und Markus Lentzen ein Durchbruch gelungen: Die Wissenschaftler arbeiten mit dem bislang weltweit einzigen so genannten "aberrationskorrigierten" Transmissionselektronenmikroskop. Das Problem der "sphärischen Aberration" tritt bei Licht- wie bei Elektronenmikroskopen gleichermaßen auf: Licht- beziehungsweise Elektronenstrahlen, welche die Linsen des Mikroskops nahe dem Rand passieren, werden zu stark abgelenkt – das Bild verschwimmt.

Mit speziell geformten magnetischen Linsen können die Forscher diesen bisher unvermeidlichen Abbildungsfehler nun jedoch korrigieren – ähnlich optischen Linsensystemen zur Korrektur. Bildlich gesprochen haben die Wissenschaftler dem Elektronenmikroskop sozusagen eine Brille verordnet und so dessen Blick geschärft. Dieser Schritt erweist sich offenbar als außerordentlich erfolgreich: Er erlaubt nicht nur, erstmals den Sauerstoff atomar abzubilden, sondern man kann damit sogar den Sauerstoffgehalt in atomaren Dimensionen quantitativ messen.

Die neuartige Korrekturtechnik haben die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich zusammen mit Kollegen vom European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg und von der Technischen Universität Darmstadt in den neunziger Jahren entwickelt – und damit nun einen Prototyp einer völlig neuen Generation von Mikroskopen geschaffen. Noch im Laufe dieses Jahres sollen weltweit die ersten kommerziellen aberrationskorrigierten Elektronenmikroskope ausgeliefert werden. Urban ist überzeugt: "Dieses Verfahren wird auf vielen Gebieten der Materialforschung die klassische Art der hochauflösenden Elektronenmikroskopie ablösen."