Rekordauflösung in der Röntgenmikroskopie

Prof. Dr. Rainer Fink
Prof. Dr. Rainer Fink, Leiter der Professur für Physikalische Chemie (Bild: FAU/Harald Sippel)

Chemiker der FAU erreichen neue Dimension der direkten Bildgebung

Forschenden der 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. Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachjournal „Optica“ unter dem Titel „Soft x-ray microscopy with 7 nm resolution“ veröffentlicht.

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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)

Die Mikroskopie mit weicher Röntgenstrahlung, also mit Röntgenstrahlen niedriger Energie, 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 sogenannte Spin-Dynamiken untersuchen: Elektronen können nicht nur elektrische Ladung transportieren, sie haben auch einen inneren Drehsinn, der für neuartige magnetische Datenspeicher genutzt werden könnte.

Um diese Prozesse künftig besser erforschen zu können, ist ein „Zoom“ in den einstelligen Nanometerbereich erforderlich. Theoretisch ist das mit weicher Röntgenstrahlung möglich, praktisch konnte eine räumliche Auflösung von unter 10 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.“

Bessere Fokussierung und Kalibrierung

Gemeinsam mit dem Paul-Scherrer-Institut und weiteren Einrichtungen aus Paris, Hamburg sowie Basel haben die Forschenden der FAU nun eine „Schallmauer“ der Röntgenmikroskopie durchbrochen: Ihnen gelang eine Rekordauflösung von 7 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 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 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.“

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

Weitere Informationen

DOI: 10.1364/OPTICA.399885

Prof. Dr. Rainer Fink
Lehrstuhl für Physikalische Chemie II
Tel.: 09131 85-27322
rainer.fink@fau.de