Drei Dimensionen auf einen Blick
Berechnung des Aufbaus einer Magnesiumoxid-Probe aus Elektronenmikroskop-Bild dank Quantenmechanik möglich.
Bei Nanoteilchen bestimmt die Oberfläche die physikalischen und technischen Eigenschaften weit mehr als bei anderen Stoffen. Die Effizienz von Katalysatoren etwa hängt stark von der Form des verwendeten Materials und seiner Oberflächenbeschaffenheit ab. Physiker und Materialforscher sind deshalb daran interessiert, den Aufbau von Nanomaterialien von allen Seiten und über mehrere Lagen hinweg atomgenau bestimmen zu können. Bisher wurden dafür ganze Untersuchungsreihen aus unterschiedlichen Perspektiven benötigt. Doch Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, des Ernst Ruska-Centrums für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) sowie der chinesischen Xian Jiaotong Universität haben es nun zum ersten Mal geschafft, die räumliche Anordnung der Atome ausgehend von einer einzigen elektronenmikroskopischen Aufnahme zu errechnen.
Abb.: Aus der elektronenmikroskopischen Abbildung eines Magnesiumoxid-Nanokristalls lässt sich mithilfe einer neuen Methode die atomar genaue dreidimensionale Struktur rekonstruieren. (Bild: FZ Jülich)
Ihre Methode bietet große Vorteile: Mit ihr lassen sich auch strahlungsempfindliche Proben untersuchen, die der energiereiche Elektronenstrahl der Mikroskope rasch zerstört. Die vergleichsweise kurze Aufnahmedauer könnte es künftig sogar ermöglichen, kurzlebige Zwischenschritte chemischer Reaktionen zu beobachten. Darüber hinaus erlaubt es das „sanfte“ Messverfahren, nicht nur schwere, sondern auch leichte chemische Elemente nachzuweisen – etwa Sauerstoff, der in vielen technologisch bedeutsamen Materialien eine wichtige Funktion hat.
„Dreidimensionale Informationen aus einer einzigen, zweidimensionalen Aufnahme zu gewinnen, scheint auf den ersten Blick unmöglich. Doch es ist möglich, weil wir keine simple zweidimensionale Projektion der dreidimensionalen Probe erhalten, sondern das Experiment quantenmechanischen Regeln folgt", erläutert Chunlin Jia, der am Jülicher Peter Grünberg Institut, Bereich Mikrostrukturforschung (PGI-5), am ER-C wie auch an der Jiaotong Universität forscht. „Auf dem Weg durch das Kristallgitter fungiert die Elektronenwelle des Mikroskops als hochempfindlicher Detektor für Atome und wird von jedem einzelnen Atom beeinflusst. Entscheidend ist, dass es tatsächlich einen Unterschied macht, ob die Wellenfront zu Beginn oder am Ende ihres Wegs durch den Kristall auf ein Atom trifft.“
Um das neue 3D-Messverfahren zu testen, richteten die Forscher eine dünne kristalline Probe von Magnesiumoxid so im Mikroskop aus, dass die Atome an den Knotenpunkten des Kristallgitters genau übereinander lagen und Säulen entlang der Beobachtungsachse bildeten. Diese Atomsäulen waren später nur als helle Punkte auf der mikroskopischen Aufnahme sichtbar. Ein spezieller Abbildungsmodus verbesserte das Signal-Hintergrund-Verhältnis. So traten feine Unterschiede zutage, die den Forschern verrieten, wo sich die einzelnen Atome in den Säulen entlang der Strahlrichtung befanden.
Für die Rekonstruktion der räumlichen Struktur verglichen die Wissenschaftler die Aufnahme mit Berechnungen am Computer. Die Computersimulationen vermittelten einen Eindruck, wie eine mikroskopische Abbildung einer perfekten Magnesiumoxid-Probe aussehen würde. Anschließend passten sie den Modell-Kristall Schritt für Schritt an, bis die errechnete Abbildung mit der elektronenmikroskopischen Aufnahme optimal übereinstimmte.
Um die Eindeutigkeit der Ergebnisse zu belegen, führten die Wissenschaftler umfangreiche statistische Tests durch. Diese ergaben auch, dass die Methode nicht nur empfindlich genug war, um jedes einzelne Atom nachzuweisen, sondern auch zwischen den beiden Elementen in Magnesiumoxid unterscheiden konnte.
FZ Jülich / PH
