3D-Blick in die Nanowelt

Gestreute Elektronen eröffnen einen dreidimensionalen Blick auf kleinste Strukturen.

Cambridge (Großbritannien) - Mit den feinen Spitzen von Rastersonden-Mikroskopen betrachten und verschieben Forscher heute schon Nanodrähte, Quantenpunkte und Moleküle. So wichtig die damit gewonnenen Informationen für die Nanotechnologie sind, erhalten die Nanowissenschaftler nur zweidimensionale Bilder ihrer räumlichen Objekte. Britische und amerikanische Physiker eröffnen mit gestreuten Elektronen nun einen dreidimensionalen Blick in die Nanowelt. Ihre Methode, die Z-Kontrast-Tomografie, beschreiben sie im Fachblatt "Science".

Abb.: 3D-Bild eines Zinn-Silizium Quantenpunkts, aufgenommen mithilfe der Z-Kontrast-Tomografie und einem Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop (STEM). (Quelle: University of Cambridge, Science)

„Mit dieser Methode können wir die komplette dreidimensionale Größe und Form von eingebetteten Strukturen mit einer Auflösung von etwa einem Nanokubikmeter bestimmen“, schreiben Ilke Arslan und ihre Kollegen vom Department of Materials Sciance and Metallurgy an der University of Cambridge. Für die Untersuchung winziger Zinn-Quantenpunkte in einer Siliziummatrix nutzten die Physiker zuerst ein hochauflösendes Transmission-Elektronen-Mikroskop (TEM). Die Elektronen wurden dabei mit 200 Kilovolt auf die Nanostrukturen beschleunigt.

Vor allem kristalline, anorganische Nanostrukturen - wie bei diesem Experiment - zeigen jedoch ein Transmissionsverhalten für die Elektronen, das abhängig von der Atomzahl Z der vorhandenen Atome ist. Um diesen Effekt für die Bildgebung zu nutzen, nahm Arslan insgesamt 149 Z-Kontrast-Bilder der Zinn-Silizium-Probe auf. Der Beobachtungswinkel wurde dabei über einen Bereich von -74° bis +74° um jeweils ein Grad geändert. Aus der Summe dieser Aufnahmen konnten die Wissenschaftler mit einem speziellen 3D-Auswertungs-Programm die dreidimensionalen Strukturen ihrer Quantenpunkte mit einer bisher unerreichten Genauigkeit rekonstruieren.

Mit der Z-Kontrast-Tomografie gelang es so, den räumlichen Aufbau der Zinn-Nanokristallite in Größe, Position und Form exakt zu bestimmen. Da sowohl Proben mit Zinn-Kristalliten in der alpha- als auch in der beta-Phase nacheinander untersucht werden konnten, ließ sich auch der Übergang zwischen diesen beiden Strukturen bei einem kritischen Durchmesser der Nanopartikel von etwa acht Nanometern beobachten. So ermöglicht diese ausgefeilte TEM-Methode sogar die Analyse der Aufbaumechanismen kristalliner Nanoteilchen.

Arslan und Kollegen wählten die Materialien Zinn in Silizium bewusst. Denn solche Quantenpunkte zeigten bereits in früheren Versuchen ein interessantes Verhalten, das für den Einsatz in winzigen optoelektronischen Bauteilen Verwendung finden könnte. Doch für die gute Funktionalität dieser Nanopartikel ist sowohl ihr Aufbau, die Verteilung als auch die Größe von entscheidender Bedeutung. Die Z-Kontrast-Tomografie erlaubt nun die Analyse exakt dieser Parameter. Laut Arslan sei dieses Beobachtungstechnik auch auf andere Material-Kompositionen übertragbar.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  I. Arslan et al., Embedded Nanostructures Revealed in Three Dimensions, Science 309, 2195 (2005).  
• University of Cambridge: 
  http://www.cam.ac.uk  
• Department of Materials Science and Metallurgy: 
  http://www.msm.cam.ac.uk  
• Department of Chemical Engineering and Materials Science, University of California, Davis: http://www.chms.ucdavis.edu  
• Lawrence Berkeley National Laboratory: 
  http://www.lbl.gov  
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Weitere Literatur:

• X. Michalet et al., Science 307, 538 (2005).  
• Y. Lin et al., Nature 434, 55 (2005).  
• P. Alivisatos, J. Phys. Chem. 100, 13266 (1996).  
• T. Mokari, E. Rothenberg, I. Popov, R. Costi, U. Banin, Science 304, 1787 (2004).  
• J. Su et al., Appl. Phys. Lett. 86, 013105 (2005).  
• T. P. Pearsall, Ed., Quantum Semiconductor Devices and Technologies, (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Netherlands, 2000).