Vorstoß in den Pico-Kosmos

News: Vorstoß in den Pico-Kosmos

Mikro war gestern, nano ist heute und morgen? - Geht der Fortschritt der Technik und Wissenschaft zu immer kleineren Abmessungen weiter so schnell voran wie in den letzten Jahrzehnten, so dürfte die nächste Station, der Picometerbereich, schon bald erreicht sein. Ein Picometer ist der millionste Teil eines millionstel Meters. Eine neuartige Technik basierend auf etablierter Elektronenmikroskopie unter pfiffiger Ausnutzung der Wellennatur von Elektronen erlaubt es, einen Blick in diese fremde Welt zu erhaschen.

Das Elektronenmikroskop ist im Vergleich zu anderen mikroskopischen Untersuchungsmethoden in der Wissenschaft im Grunde schon ein alter Hut. Ernst Ruska, der 1986 unter anderem dafür den Nobelpreis erhielt, und Max Knoll entwickelten das Gerät bereits in den dreißiger Jahren. Das räumliche Auflösungsvermögen eines Mikroskops ist im wesentlichen durch die Wellenlänge der verwendeten Strahlung beschränkt. Die Idee des Elektronenmikroskops ist es, anstelle von Licht, also elektromagnetischen Wellen, mit Teilchenstrahlung Probenstrukturen zu vergrößern und damit das Auflösungsvermögen zu verbessern.

Das Elektronenmikroskop eignet sich besonders für die Beobachtung im Nanometer-Bereich. Moderne Geräte erlauben durchaus eine atomare Auflösung und sind damit als Untersuchungsmethode aus der Physik oder Biologie kaum noch wegzudenken. Forscher vom Brookhaven National Laboratory berichten in einer kommenden Ausgabe der Physical Review Letters von einer Technik, mit der sie Materialdefekte im Picometermaßstab sichtbar machen können. Damit erreichen die Wissenschaftler einen neuen Rekord in Sachen Auflösungsvermögen und Genauigkeit.

Der Physiker Yimei Zhu und seine Kollegen haben ihre neue Methode auf den Namen interferometry in coherent electron diffraction getauft. Das Kernstück des neuen Geräts ist ein Transmissions-Elektronenmikroskop, das heißt, es handelt sich um ein Mikroskop, das im so genannten Durchstrahlungsmodus arbeitet. Das eigentlich Neue an dem Instrument ist die geschickte Ausnutzung der Welleneigenschaft von Elektronen. Kohärente Elektronen treffen auf verschiedene Stellen der Probe und verursachen so ein charakteristisches Interferenzmuster. Dieses sieht je nach Störung etwas unterschiedlich aus.

Im Prinzip verhält es sich so wie bei einem See, in den Steinchen geworfen werden. Ausgehend vom Ort des Eintauchens breiten sich konzentrische Wellen aus. Vermischen sich die Wellenfronten, so bildet sich aus der Überlagerung ein neues Muster – das Interferenzmuster. Schwimmen auf dem See beispielsweise ein paar Enten, dann lässt sich erahnen, dass das entstehende Wellenmuster Abweichungen von der unberührten Seefläche zeigt. Die Enten des Beispiels sind nun die Defekte im Material. Die Steine stellen im Prinzip die Elektronen dar. Das Muster der Seeoberfläche entspricht dem Interferenzmuster der Probe. Dieses kann wiederum von einem Detektor erfasst werden und gibt den Wissenschaftlern Aufschluss über die vorhandenen Defekte im Material.

Zhu erklärt, "Defekte sind winzig kleine Abweichungen von der regulären Position der Atome in Materie und häufig verantwortlich für die Eigenschaften des Stoffes. Zum Beispiel erlaubt in Supraleitern ein bestimmter Fehler einen höheren Stromtransport ohne elektrischen Widerstand. Oder manche Defekte verbessern elektronische, magnetische und optische Eigenschaften von Halbleitern, wie sie in Computern oder digitalen Geräten verwendet werden. Die neue Technik gestattet Forschern die Bestimmung von Defekten mit beispielloser Präzision. Für die Entwicklung neuer moderner Materialien ist das sehr wichtig."

Das Transmissions-Elektronenmikroskop wurde von JEOL in Tokio nach Vorgaben der Wissenschaflter in Brookhaven gefertigt. Mit ihm ist es möglich, eine Probe bis zu 50 Millionen Mal zu vergrößern – damit hat ein Atom ungefähr die Größe eines Tischtennisballs. Das Mikroskop ist für den Einsatz in der Festkörperphysik, der Chemie, der Biologie und den Materialwissenschaften gleichmaßen gut geeignet.

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