Elektronenmikroskop Pico: Der scharfe Blick auf die kleinsten Bauteilchen

Von: Maria Pakura
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Er bedient Pico und die anderen Elektronenmikroskope des Forschungszentrums: Dr. Juri Barthel. Foto: Pakura
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Nicht viel zu erkennen: Das vier Meter große Pico ist von einer Schutzhülle umgeben. Foto: Forschungszentrum
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So sieht eine kleine Schwester von Pico ohne Verkleidung aus. Foto: Pakura

Jülich. Den Kopf einer Stecknadel in Berlin anschauen, ohne sich aus Jülich wegzubewegen: Das geht – theoretisch. So macht Dr. Juri Barthel vom Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie der RWTH Aachen und des Forschungszentrums (FZ) Jülich im Ernst Ruska-Centrum im FZ verständlich, wie stark Pico vergrößert. Pico ist der Name des leistungsfähigsten Elektronenmikroskops der Welt, das im FZ zu Hause ist.

Sein Auflösungsvermögen beträgt 50 Pikometer. Ein Pikometer ist ein Billionstel eines Meters: Pico macht Atome sichtbar, die kleinsten Einheiten, aus denen alles besteht. „Es entsteht jedoch kein Bild wie bei einem Lichtmikroskop“, erklärt Barthel, warum das Resultat am Computer betrachtet wird. „Vielmehr handelt es sich um ein Interferenzexperiment mit Elektronen.“

Wie Wasserwellen

Heißt: Ähnlich wie beim Doppelspalt, der jedem in der Schulphysik begegnet ist, macht sich die Technologie die Regel zunutze, dass Elementarteilchen, bei Pico sind es Elektronen, wie Wasserwellen an Hindernissen gebeugt werden. Im Pico sind diese „Hindernisse“ die regelmäßig angeordneten Atome eines Kristalls. Das ist einerseits erwünscht, weil sich dadurch Informationen aus dem Reich der Atome auf eine größere Detektorfläche projizieren lassen.

Andererseits bedingt diese Beugung, dass die Aufnahmen nicht wie ein herkömmliches Bild interpretiert werden können. Bei der Abbildung auf einer größeren Fläche kommt es durch die speziellen Eigenschaften der stark vergrößernden Elektronenlupen zu unerwünschten Überlagerungen. „Das ist bei Vorläufern das Hauptproblem: Eine Vergrößerung in den Piktometerbereich war möglich, eine brauchbare Darstellung nicht“, so Barthel. Die beiden stärksten Fehler solcher Elektronenoptiken, der Öffnungsfehler und der Farbfehler, galten noch in den 1990ern als unlösbares Problem.

Das FZ Jülich war mit kooperierenden Instituten daran beteiligt, das Problem des Öffnungsfehlers zu lösen: „Der Prototyp Philips CM 200 CS steht noch als Museumsstück im Keller.“ Ein Platz im Museum wäre verdient: Das Projekt wurde 2011 mit dem Wolf-Preis gewürdigt, der als der zweitwichtigste Preis in der Physik nach dem Nobelpreis gilt.

Als Pico 2012 eingeweiht wurde, war es eins von zwei Mikroskopen weltweit (das andere steht in Berkley/USA, ein drittes ist gebaut, aber noch nicht ausgeliefert), das Korrektoren für beide Linsenfehler eingebaut hat und dadurch vorher nie erreichte Auflösungen liefert.Der besondere Unterschied zu den anderen Elektronenmikroskopen am Institut ist ein neues Linsensystem, das gleichzeitig auch dem Farbfehler entgegenwirkt.

Ein Regenbogen hilft, diesen zu verstehen: Er entsteht, weil die Lichtwellen von Sonnenstrahlen an Wassertropfen gebeugt werden. Jede Farbe entspricht einem Energiewert, der im Wasser eine spezifische Geschwindigkeit hat. Weil die Lichtteilchen im Wasser unterschiedlich schnell sind, werden langsamere Teilchen stärker abgelenkt als schnellere Teilchen, wodurch sie sich in einzelne „Energiefamilien“auffächern, die das menschliche Auge als Farben interpretiert. In vergleichbarer Weise führen Tempounterschiede von Elektronen bei der Beugung durch eine Magnetfeldlinse zu Abweichungen von ihrer gewünschten Bahn, und weil Teile des Elektronenstrahls mit unterschiedlicher Energie gegeneinander „verrutschen“, erscheint das Bild unscharf. Auch diesem Problem wirkt Pico entgegen.

Zunächst einmal erzeugt und beschleunigt das etwa vier Meter hohe Gerät Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Zu einem gleichmäßigen, breiten Strahl aufgefächert treffen die Elektronen auf eine Materialprobe. Aufgrund ihrer Ladung ziehen Atomkerne sie an und lenken sie in spezifische Bahnen. Um die Anordnung der Atome mit den Elektronen abzubilden, durchlaufen sie, immer in einem Vakuum, über hundert von Spulen und Kondensatoren erzeugte magnetische und elektrische Felder. Diese Felder sind die Elektronenlinsen, die auf einer Strecke von etwa zwei Metern die millionenfache Vergrößerung sowie die Korrektur der dabei auftretenden Abbildungsfehler schaffen. Ein spezieller Detektor macht die von der Materialprobe veränderte Elektronenverteilung dann für uns am Computer als Bild sichtbar. Damit darin die Anordnung der Atome erkennbar wird, muss die Materialprobe extrem dünn sein: „Wir sprechen hier vom Nanometerbereich, also einem Millionstel eines Millimeters“, sagt Barthel. Erstaunlicherweise lässt eine Materialprobe sich manuell auf eine entsprechende Stärke schleifen, „was allerdings langwierig und sehr fehleranfällig ist, weil das Präparat oft bricht“. Daher bevorzugt das Forscherteam die Herstellung von Präparaten mittels der sogenannten kombinierten Rasterelektroskopie in einer computergesteuerten Ionenmühle. Mit gebündelten Ionenstrahlen werden darin feinste Lamellen aus dem Material geschnitten, dünn geschliffen und an einem Träger befestigt. „Trotz der Unterstützung durch solche Geräte kann die Herstellung eines brauchbaren Präparats Tage und Wochen dauern“, spricht Barthel an, dass ein typischer Tagesablauf in der Elektronenmikroskopie keinesfalls bedeutet, sich morgens ans Mikroskop zu setzen und abends die Auswertung zu betrachten. Nach dem Herstellen einer Materialprobe muss Pico in Betrieb genommen und bedient werden, der Computer muss die Abbildungen, die pro Tag durchaus ein Terabyte Datenmenge erreichen können, verarbeiten und darstellbar machen. Diese Daten müssen gesichtet und interpretiert werden.

Ein Sensibelchen

Mit einer Wartezeit von derzeit rund zwei Monaten, um überhaupt einen Termin mit Pico zu bekommen, können Forscherteams aus aller Welt von der Projektidee bis zur fertigen Auswertung ein Jahr und länger beschäftigt sein. Dr. Juri Barthel begleitet sie vor allem mit der Bedienung von Pico: „Nur wenige Personen weltweit haben genug Wissen und Erfahrung, um das ganze Potenzial dieses Elektronenmikroskops auszureizen.“ Ein Viertel seiner Arbeitszeit jedoch ist er damit beschäftigt, Pico betriebsfähig zu halten. Computerfehler und defekte Bauteile sind die häufigsten Probleme. „Störfaktoren haben wir durch die Konstruktion, auf der Pico steht, minimiert“, spielt er auf die Plattform des „Sensibelchens“ an.

Doch wozu eigentlich der ganze Aufwand und die immensen Investitionen – plus Wartungsverträge über rund 100000 Euro pro Jahr? „Um Materialbeschaffenheiten zu analysieren“, lautet die schlichte Antwort. Gerade für die Weiterentwicklung von Bauteilen in Industrie und (Computer-)Technik sei es wichtig, die atomare Struktur von Materialien kennenzulernen und davon Eigenschaften abzuleiten, um Probleme zu erkennen und ihnen auszuweichen. „Das ist Grundlagenforschung“, betont Barthel. Aber ohne diese wäre Fortschritt undenkbar. Und eine Stecknadel in Berlin von Jülich aus nicht sichtbar – theoretisch.

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