08.12.2020

Rekordauflösung in der Röntgenmikroskopie

Räumliche Auflösung im einstelligen Nanometerbereich erreicht.

Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), des Schweizer Paul-Scherrer-Instituts und weiterer Ein­richtungen aus Paris, Hamburg und Basel ist ein neuer Rekord in der Röntgen­mikroskopie gelungen: Mit verbesserten Beugungslinsen und exakterer Positionierung der Proben erreichten sie eine räumliche Auflösung im einstelligen Nanometer­bereich. Diese neue Dimension der direkten Bildgebung könnte wichtige Impulse für die Erforschung von Nano­strukturen geben und beispiels­weise die Entwicklung von Solarzellen und neuartigen magnetischen Daten­speichern vorantreiben. 

Abb.: Eine Probe wird mit höchster Präzision durch fokussierte...
Abb.: Eine Probe wird mit höchster Präzision durch fokussierte Röntgen­strahlung bewegt. Der trans­mittierte Strahl ist ein Maß für die lokale Röntgen­absorption, die Infor­mationen über elek­tronische und magne­tische Eigen­schaften enthält. (Bild: B. Rösner, PSI)

Die Mikroskopie mit weicher Röntgenstrahlung wird zur Untersuchung von Material­eigenschaften im Nanobereich eingesetzt. Mit der Technologie kann beispiels­weise die Struktur organischer Filme bestimmt werden, die in der Solarzellen- und Batterie­entwicklung eine wichtige Rolle spielen. Ebenso können chemische Prozesse oder katalytische Reaktionen von Partikeln beobachtet werden. Darüber hinaus lassen sich Spin-Dynamiken untersuchen, die für neuartige magnetische Daten­speicher genutzt werden könnten. Um diese Prozesse künftig besser erforschen zu können, ist ein Blick in den einstelligen Nanometer­bereich erforderlich. Theoretisch ist das mit weicher Röntgenstrahlung möglich, praktisch konnte eine räumliche Auflösung von unter zehn Nanometern jedoch bislang nur mit indirekt bild­gebenden Methoden erreicht werden. „Für dynamische Prozesse, etwa chemische Reaktionen oder magnetische Interaktionen von Partikeln, benötigen wir jedoch einen direkten Blick auf die Strukturen“, sagt Rainer Fink vom Lehrstuhl für Physi­kalische Chemie II der FAU. „Die Röntgen­mikroskopie ist dafür besonders geeignet, weil sie deutlich flexibler in magne­tischen Umgebungen genutzt werden kann als etwa die Elektronen­mikroskopie.“

Nun gelang den Forscher eine Rekord­auflösung von sieben Nanometern in gleich mehreren verschiedenen Experimenten. Dieser Erfolg basiert nicht primär auf leistungs­stärkeren Röntgenquellen, sondern auf einer besseren Fokussierung der Strahlen durch Beugungslinsen und einer exakteren Kalibrierung der untersuchten Proben. „Wir haben die Struktur­größen von Fresnel-Zonenplatten optimiert, mit denen die Röntgenstrahlen gebündelt werden“, erklärt Rainer Fink. „Zusätzlich konnten wir die Proben mit einer sehr viel höheren Genauigkeit im Gerät positionieren, und zwar repro­duzierbar.“ Gerade die eingeschränkte Positionierung und die Stabilität des Gesamtsystems haben eine bessere Auflösung bei der direkten Bildgebung bislang verhindert.

Bemerkenswert ist, dass die Rekord­auflösung nicht nur mit speziell designten Teststrukturen, sondern auch in praktischen Anwendungen erreicht wurde: Mit ihren neuen Optiken haben die Wissen­schaftler beispiels­weise die magnetische Orientierung von Eisen­partikeln in Größen von fünf bis zwanzig Nanometern untersucht. Fink: „Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse die Erforschung insbesondere von Energie­materialien und Nano­magnetismus voranbringen wird. In diesen Bereichen liegen die relevanten Strukturgrößen häufig unterhalb des bisherigen Auflösungs­limits.“

FAU / JOL

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