25.08.2016

Pro Pixel ein Ion

Ionenmikroskop erzeugt Abbildungen mit einer Auflösung im Nanometerbereich.

Wissen­schaftler um Georg Jacob von der Johannes Guten­berg-Universität Mainz haben ein Ionen­mikroskop entwickelt, das nur mit exakt einem Ion pro Bildpixel arbeitet. Zur Demon­stration dieses Mikro­skops zeigten die Forscher Bilder von perforierten Objekten in Nano­meter-Auflösung. Ionen und Elektronen werden oft in der Mikro­skopie eingesetzt, weil sie eine sehr viel höhere Auflösung als das sicht­bare Licht ermöglichen. Bei den bisher dazu benötigten hohen Fluss-Raten können diese geladenen Teilchen allerdings die jeweilige Probe negativ be­einflussen oder sogar beschädigen.

Abb.: Paul-Falle als deterministische Einzelionenquelle (Bild: G. Jacob / JGU)

In der her­kömmlichen Trans­missions­mikro­skopie werden die von einer Quelle emit­tierten Teilchen auf einen kleinen Bereich eines Untersuchungs­objekts hin beschleunigt und an­schließend von einem Detektor erfasst, falls sie das Objekt durchdringen. Sowohl die Quelle als auch die Detektoren unter­liegen Stör­signalen, weshalb Forscher typischer­weise den Ionenfluss erhöhen, um das Signal-zu-Rausch-Verhält­nis zu verbessern. Problematisch ist hierbei, dass viele Objekte, beispiels­weise biologische Proben, einer derart hohen Ionen­bestrahlung nicht stand­halten können.

Das von Georg Jacob und seinen Kollegen entwickelte Ionen­mikroskop erreicht ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei gleich­zeitig kleinst­möglicher Ionen­fluss-Rate. Dazu werden zunächst einzelne Kalzium-Ionen in einer elek­trischen Falle gefangen. Entsprechend angelegte elek­trische Felder extra­hieren die Ionen und erzeugen einen wenige Nanometer großen Fokus­bereich, durch den das Ziel­objekt schritt­weise bewegt wird.

Bei jedem Bildpunkt wird ein einzelnes Ion aus der Falle emittiert und entweder durch das Objekt blockiert oder von dem dahinter stehenden Detektor registriert. Weil die Emissions­zeit des Ions präzise bestimmt ist, können die Forscher das natürliche Rauschen des Detektors ausschalten, da nur Ereignisse genau bei der erwarteten Ankunfts­zeit gezählt werden. Auf diese Weise lässt sich die Dunkel­zählrate im Detektor um ein Millionen­faches verringern. Mit weniger als 300 Ionen gelang es dem Team, die Position eines ein Mikro­meter großen kreis­förmigen Lochs in einer Diamant­probe mit einer Genauigkeit von 2,7 Nano­metern zu bestimmen. In Zukunft soll diese neuartige Mikro­skopie dazu einge­setzt werden, einzelne Atome mit Nano­meter-Genauig­keit in einem Festkörper zu platzieren, um Bau­elemente für Speicher und Prozes­soren mit Quanten­bits herzustellen. Hierzu arbeitet das Team mit Forschern aus Aus­tralien, Stuttgart, Ulm und Kassel zusammen.

U Mainz / JOL

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