Neues Ionen-Mikroskop verspricht einmalige Tiefen- und Detailschärfe

12.12.2013 - Deutschland

Das deutschlandweit erste Ionen-Mikroskop einer neuen Geräteklasse hat am 11.12.2013 im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) seinen Betrieb aufgenommen; weltweit existieren bislang kaum zehn vergleichbare Anlagen. Damit können HZDR-Forscher sowie ihre Kollegen im Dresdner Nanoanalytik-Zentruman der TU Dresden ab sofort noch tiefer in bislang unbekannte Nano-Welten vordringen. Die Anlage kombiniert eine extrem hohe Tiefenschärfe mit einer Auflösung bis in den Angström-Bereich, wobei Angström (0,0000000001 Meter) die Größenskala bezeichnet, mit der beispielsweise der Abstand von einzelnen Atomen in einem Festkörper gemessen wird.

Im Ionenstrahlzentrum des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf kennt man sich aus mit Ionen, also mit elektrisch geladenen Atomen, werden sie hier doch vielfältig für die Oberflächen-Behandlung oder auch die Untersuchung von modernen Werkstoffen eingesetzt. Auch über hochauflösende Mikroskopierverfahren verfügen die HZDR-Forscher. Gerade deshalb freut sich der Leiter des Ionenstrahlzentrums, Dr. Johannes von Borany, besonders auf die neue Technik: „Das Ionen-Mikroskop bietet einmalige Möglichkeiten für die Erforschung neuartiger Materialien und ich bin sicher, dass wir uns mit den dreidimensionalen Bildern von nur wenige Nanometer großen Strukturen und den Möglichkeiten zur Nano-Fabrikation neue Bereiche erschließen werden. Zugleich wollen wir gemeinsam mit ZEISS die ortsaufgelöste Elementanalytik in einem Ionenmikroskop weiterentwickeln, was bisher so noch nicht möglich ist.“

Das Mikroskopsystem „ORION NanoFab“ kommt gleich mit mehreren Vorteilen daher. Die Ionen – genauer handelt es sich um geladene Helium oder Neon-Atome – entstehen an einem unvorstellbar kleinen Quellpunkt, viel kleiner, als dies etwa an einem typischen Rasterelektronen-Mikroskop (REM) der Fall ist. An gerade einmal drei Atomen aus Wolfram bilden sich die Ionen aus Helium- oder Neongas und werden von dort beschleunigt. So ergibt sich ein extrem kleiner Durchmesser für den erzeugten Ionenstrahl; bei Helium beträgt dieser weniger als einen Nanometer. Zugleich weitet sich der Ionenstrahl auf seinem Weg bis zur Materialprobe kaum auf, das heißt, die sogenannte Strahldivergenz ist gering. Und genau diese besonderen Eigenschaften des Ionenstrahls sind dafür verantwortlich, dass zum einen eine hervorragende Auflösung im Angström-Bereich und zum anderen eine einmalige Tiefenschärfe von bis zu wenigen Mikrometern (0,000001 Meter) erreicht werden. Dr. von Borany: „Mit kaum einer anderen Mikroskopiertechnik kann man so tief in einen Festkörper blicken. Unser Ionen-Mikroskop liefert 3D-Bilder von nur wenige Nanometer großen Strukturen, seien es Halbleiter-Bauelemente oder auch Löcher in porösen Materialien, und das in bisher unerreichter Tiefenschärfe.“

Zeitgleich Nano-Strukturen und 3D-Bilder erzeugen

Die Funktionsweise des Ionen-Mikroskops ähnelt im Grunde der eines Rasterelektronen-Mikroskops. Die Ionen werden ebenso über die zu untersuchende Materialoberfläche gerastert wie beim REM die Elektronen. Ein großer Vorteil der Ionen liegt allerdings darin, dass sich unerwünschte Aufladungseffekte bei der Untersuchung isolierender Materialien durch eine „Elektronendusche“ leicht unterdrücken lassen. Deshalb sind Ionen die Teilchensorte der Wahl, um beispielsweise poröse keramische Materialien zu untersuchen, die als zukunftsträchtige Speicher für Wasserstoff oder andere Medien gehandelt werden.

Die in der neuesten Generation des Ionen-Mikroskops von ZEISS verfügbaren Neon-Ionen gestatten nun auch die Bearbeitung von Materialien auf der Nanometer-Skala. Der Strahlfleck beträgt hierfür nur zwei Nanometer, und mit diesem ultrafeinen Fleck können Strukturen in ein Material quasi gefräst oder auch Areale mit magnetischen Funktionen versehen werden. „Obwohl wir im Ionenstrahlzentrum schon seit Jahren mit äußerst fein fokussierten Ionenstrahlen arbeiten, konnten wir von solch einem vielseitig einsetzbaren Gerät bisher nur träumen. Auch die Materialforschung in Dresden soll daran partizipieren, weshalb wir das Gerät im Rahmen des Dresdner Nanoanalytik-Zentrums für Kollegen zur Verfügung stellen werden“, so Dr. von Borany vom HZDR. Das Nanoanalytik-Zentrum ist ein wichtiger Baustein von DRESDEN-concept, dem Zusammenschluss der außeruniversitären Forschungs- und Kultureinrichtungen mit der exzellenten Technischen Universität Dresden im Zentrum.

Das Ionen-Mikroskop im HZDR ist eine Entwicklung des Unternehmensbereichs Mikroskopie von ZEISS und wurde durch ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Industrie (BMWi) finanziertes Projekt im Rahmen derHelmholtz-Plattform für die Charakterisierung von Materialien für Energie-Systeme der Zukunft angeschafft.

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