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14.11.2017 | Werkstoffprüfung + Materialanalyse | Nachricht | Onlineartikel

Leistungsstarkes Mikroskop für empfindliche Proben

Autor:
Nadine Klein

Ein neues Mikroskop kombiniert verschiedene Analysemethoden in einem Gerät. Dies macht es laut KIT zu einer Schlüsseltechnologie in vielen Feldern der Grundlagen- und angewandten Forschung, die es erlaubt, die Auswirkungen von nanoskaligen Strukturen auf Materialeigenschaften zu studieren.

 "Das neue Multifunktions-Elektronenmikroskop ergänzt die vorhandenen Geräte am KIT und öffnet neue Forschungshorizonte", unterstreicht Professorin Dagmar Gerthsen, Leiterin des Laboratoriums für Elektronenmikroskopie (LEM) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). "Das neue Mikroskop vereint verschiedene Werkzeuge in einem Gerät und erlaubt es damit in wenigen Arbeitsschritten komplementäre Informationen über eine Probe zu gewinnen." Üblicherweise wird die Auflösung von Elektronenmikroskopen verbessert, indem die Energie der Elektronen gesteigert wird. Dies kann aber dazu führen, dass die Elektronen auch Strukturen in der zu untersuchenden Probe verändern oder zerstören. Das neue Mikroskop nutzt daher vergleichsweise energiearme Elektronen von rund 30 keV.

Es kann als Rasterelektronenmikroskop (REM) oder als Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) verwendet werden und bietet daher die Möglichkeit sowohl die Struktur im Inneren einer Probe wie auch deren Oberflächentopographie zu untersuchen. Die nominelle Auflösung des Geräts beträgt rund 0,3 bis 0,6 Nanometer (STEM beziehungsweise REM), was etwa drei bis sechs Atomradien entspricht. Damit sollen sich in Materialien strukturelle Eigenschaften charakterisieren und mit wichtigen funktionellen Eigenschaften korrelieren lassen, um wesentliche Funktionen zu verbessern oder zu verstehen, etwa die Effizienz von Solarzellen, die chemische Aktivität von Katalysatoren oder mögliche toxikologische Auswirkungen von Nanopartikeln in biologischen Zellen.

Chemische und physikalische Eigenschaften bestimmen

Die Möglichkeit, Proben gleichzeitig mit verschiedenen Detektoren zu untersuchen, mache das Mikroskop besonders leistungsstark. "Dadurch erhalten wir neue Freiheitsgrade bei der Untersuchung, die uns weiter bringen als Auflösung alleine", erklärt Dr. Erich Müller vom LEM am KIT. Es werden unterschiedliche Wechselwirkungen der Elektronen mit der Probe genutzt, die neue Erkenntnisse bezüglich Oberflächen- und Volumenbeschaffenheit der Probe liefern sollen. Mittels Röntgenanalyse wird außerdem deren chemische Zusammensetzung bestimmt. Eine spezielle Kamera für die Abbildung der gebeugten transmittierten oder zurückgestreuten Elektronen soll Rückschlüsse über die kristalline Struktur des untersuchten Materials erlauben. "Wir können nun in einem Gerät chemische und physikalische Eigenschaften der Proben umfassender bestimmen und gewinnen ein tieferes Verständnis des atomaren Aufbaus."

Weitere Forschungsmöglichkeiten eröffne ein integriertes Fräswerkzeug für die Nanowelt: Ein fokussierter Ionenstrahl, als FIB bezeichnet, kann in der Probe nanometerfeine Gräben ziehen und damit "vergrabene" Schichten unterhalb der Probenoberfläche freilegen. So lassen sich laut KIT auch Querschnitte an interessanten Untersuchungsstellen zielgenau nach Bedarf erstellen.

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