Röntgenmikroskopie mit Rekordauflösung von sieben Nanometer

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Um die Strukturen organischer Filme besser untersuchen zu können, haben Forscher bei der Auflösung mit der Röntgenmikroskopie einen neue Rekord aufgestellt. Sie erreichten eine Auflösung von sieben Nanometern. Das ist vor allem für dynamische Prozesse interessant.

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Ausgerichtet: Mit einer Rekordauflösung von 7 nm lässt sich per Röntgenmikroskop die magnetische Orientierung von Eisenpartikeln untersuchen. Das könnte Energiematerialien und dem Nanomagnetismus wichtige Impulse liefern.
Ausgerichtet: Mit einer Rekordauflösung von 7 nm lässt sich per Röntgenmikroskop die magnetische Orientierung von Eisenpartikeln untersuchen. Das könnte Energiematerialien und dem Nanomagnetismus wichtige Impulse liefern.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Um Materialien in Größenordnungen von wenigen Nanometern zu untersuchen, bietet sich die Röntgenforschung an. Hier untersuchen Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) mit Röntgenstrahlung niedriger Energie die Materialeigenschaften. Beispielsweise lassen sich Strukturen organischer Filme bestimmen, die in der Solarzellen- und Batterieentwicklung eine wichtige Rolle spielen.

Außerdem lassen sich chemische Prozesse oder katalytische Reaktionen von Partikeln beobachten. Auch sogenannte Spin-Dynamiken können untersucht werden: Elektrononen transportieren nicht nur elektrische Ladung, sie haben auch einen inneren Drehsinn, der für neuartige magnetische Datenspeicher genutzt werden könnte.

Chemische Reaktionen oder magnetische Interaktionen

Doch um die Prozesse besser erforschen zu können, müssen sich die Wissenschaftler ganz dicht in das Material hineinzoomen. Das ist im einstelligen Nanometerbereich. 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, die eine nachträgliche Rekonstruktion erfordern.

„Für dynamische Prozesse, etwa chemische Reaktionen oder magnetische Interaktionen von Partikeln, benötigen wir jedoch einen direkten Blick auf die Strukturen“, erklärt Prof. Dr. 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.“

Rekordauflösung von sieben Nanometern

Gemeinsam mit dem Paul-Scherrer-Institut und weiteren Einrichtungen aus Paris, Hamburg sowie Basel haben die Forscher der FAU jetzt eine Schallmauer der Röntgenmikroskopie durchbrochen: Ihnen gelang 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.

Im Erlanger STXM am Paul-Scherrer-Institute Fresnel werden Röntgenstrahlen fokussiert und die Probe wird zur Abtastung mit höchster Präzision durch diesen Fokus bewegt. Der transmittierte Strahl ist ein Maß für die lokale Röntgenabsorption, die wiederum Informationen über Variationen der elementaren und chemischen Zusammensetzung, sowie elektronische und magnetische Eigenschaften enthält.
Im Erlanger STXM am Paul-Scherrer-Institute Fresnel werden Röntgenstrahlen fokussiert und die Probe wird zur Abtastung mit höchster Präzision durch diesen Fokus bewegt. Der transmittierte Strahl ist ein Maß für die lokale Röntgenabsorption, die wiederum Informationen über Variationen der elementaren und chemischen Zusammensetzung, sowie elektronische und magnetische Eigenschaften enthält.
(Bild: Dr. Benedikt Rösner, Paul-Scherrer-Institut)

„Wir haben die Strukturgrößen sogenannter 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 5 bis 20 nm 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.“

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und vom Forschungs- und Innovationsprogramm EU-H2020 gefördert.

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