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News: Ein sanftes Laser-Rastermikroskop

Mit dem Elektronenmikroskop sind Wissenschaftler längst in winzige Größenbereiche von Natur und Technik vorgedrungen. Doch eignet sich das Elektronenmikroskop nicht für Untersuchungen in starken Magnetfeldern, außerdem müssen die Untersuchungsobjekte teilweise mit Metall bedampft werden und verändern sich dadurch. Diese methodische Lücke wollen Physiker mit dem Bau eines Tieftemperatur-Laser-Rastermikroskops schließen. Der Laserstrahl bleibt an der Oberfläche der Untersuchungsobjekte und wird durch ein starkes Magnetfeld nicht beeinflußt.
Mit der Entwicklung und dem Bau eines neuen Laser-Rastermikroskops am Lehrstuhl für Experimentelle Physik II der Universität Tübingen in der Arbeitsgruppe von Rudolf Hübener wollen der Doktorand Martin Peschka und der Diplomand Marc Fischer die Forschung an elektronischen Bauelementen auf der Basis von Supraleitern einschließlich Hochtemperatursupraleiterschichten vorantreiben. Das Mikroskop bildet das Kernstück eines modular aufgebauten Apparates, mit dem sich nach den Plänen der Physiker Proben auch bei tiefen Temperaturen bis zu minus 269 Grad Celsius und in einem starken Magnetfeld, das bis zu 100 000mal stärker ist als das Magnetfeld der Erde, untersuchen lassen.

Das Laser-Rastermikroskop nimmt einen Tisch ein, der mit einer mehrere hundert Kilo schweren Tischplatte aus Granit ausgestattet und auf Stoßdämpfern gelagert ist. Sonst würden bereits die Erschütterungen durch Schritte im Raum die empfindlichen Messungen in winzigen Größenbereichen stören. Daneben wird ein Computer benötigt, mit dem sich die Daten der Messungen auswerten und Bilder der Proben sichtbar machen lassen, denn in das Laser-Rastermikroskop kann man nicht einfach wie bei einem gewöhnlichen Mikroskop mit dem Auge hineinsehen. Die Physiker haben das Konzept und den Aufbau für dieses Mikroskop selbst entwickelt. Die meisten Teile wurden von der institutseigenen Werkstatt gefertigt, zusätzlich wurden einige optische Komponenten von einer Göttinger Firma bereitgestellt. "So konnten die Kosten für das Mikroskop auf etwa 20 000 Mark begrenzt werden", sagt Peschka. Zur Verblüffung der Forscher selbst hat das komplizierte Gerät vom ersten Moment an fehlerlos funktioniert und ist seit fünf Monaten im Einsatz.

Mit dem neuen Laser-Rastermikroskop werden verschiedene Feststoffe untersucht, die oft in Form eines dünnen Films auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Die Kristallstruktur und kleinste Unebenheiten oder Fehler in den untersuchten Proben lassen sich durch das Mikroskop bis zu einer Auflösung von etwa einem Tausendstel Millimeter erkennen. Eine Probe von einem Quadratzentimeter wird in den Probenhalter des Laser-Rastermikroskops senkrecht eingespannt und mit elektrischen Kontakten verbunden. "Auf die Probe wird ein feiner Laserstrahl gerichtet, der durch zwei verstellbare Spiegel in beiden Richtungen beweglich gelenkt werden kann. Dadurch läßt sich die Probe abrastern", erklärt Peschka. Der Laserstrahl wird an verschiedenen Stellen des Untersuchungsobjekts unterschiedlich reflektiert und die Helligkeit Punkt für Punkt von einem Detektor registriert. Auf dem angeschlossenen Computer erscheint das Oberflächenbild der Probe. "Mit Hilfe der Kontakte sind aber auch elektrische Messungen möglich, damit können wir die Verteilung der elektrischen Spannungen in der Probe bestimmen", erläutert Fischer.

Der Physiker und Biologe Bernd Bühler möchte das neue Mikroskop nutzen, um einzellige Wimpertierchen, die zum Beispiel im Verdauungstrakt von Kühen vorkommen, zu untersuchen. In seiner biologischen Diplomarbeit hat Bühler die Wimpertierchen elektronenmikroskopisch beschrieben, doch lassen sich mit dem Laser-Rastermikroskop neue Einzelheiten erforschen. "Bei der Elektronenmikroskopie ist die Untersuchung lebender Zellen prinzipiell nicht möglich, außerdem müssen die Präparate häufig durch Bedampfen mit einer Metallschicht behandelt werden, so daß manche Effekte erst künstlich erzeugt werden", beschreibt Bühler die Nachteile. Dagegen lassen sich Einzeller oder Gewebeproben im Laser-Rastermikroskop unter weitgehend natürlichen Bedingungen betrachten.

Doch für die ehrgeizigen Pläne der beiden Physiker Peschka und Fischer ist der Bau des Laser-Rastermikroskops erst der Anfang. "Das Mikroskop ist so konstruiert, daß zwischen Objektiv und Scanner ein weiter Abstand liegt. Wir wollen es später in einen Magnetkryostaten einschieben, ein Gerät, in dem dann Messungen in einem starken Magnetfeld möglich sind", erklärt Peschka. Die etwa anderthalb Meter große Apparatur wird in einigen Monaten fertiggestellt sein.

In dem Magnetkryostaten läßt sich mit einer Spule ein Magnetfeld bis zu fünf Tesla erzeugen. Dabei muß das Gerät durch flüssiges Helium gekühlt werden. "In eine Bohrung im Magnetkryostaten kann von der einen Seite das Laser-Rastermikroskop in die Magnetspule eingeschoben werden, von der anderen Seite ein Probenhalter mit einem Fenster, der getrennt gekühlt werden kann", beschreibt Fischer das modulare Konzept zur Tieftemperatur-Laser-Rastermikroskopie in starken Magnetfeldern.

Bei den bisher gebauten Tieftemperatur-Laser-Rastermikroskopen für den Einsatz in starken Magnetfeldern muß zum Kühlen und Aufwärmen der Probe stets auch die Temperatur des ganzen Gerätes herauf- oder heruntergefahren werden. "Wenn dann eine neue Probe untersucht werden soll, ist der Zeit- und Energieaufwand groß. Eine Messung kann einen ganzen Tag dauern. Bei unserem Gerät wird sie durch die getrennte Kühlung von Probe und Magnetkryostaten viel schneller möglich sein", sagt Peschka. Die Tübinger Physiker wollen mit ihren Untersuchungen am Laser-Rastermikroskop zum Beispiel an der Stromdichte-Verteilung oder an der Bildung von Bereichen mit erhöhtem elektrischem Widerstand in Hochtemperatursupraleitern in starken Magnetfeldern in der Grundlagenforschung bleiben. "Das Mikroskop läßt sich jedoch auch für viele Anwendungen zum Beispiel in der Qualitätssicherung bei der Überprüfung von Feststoffen oder Halbleitermaterialien für Computer-Bauelemente nutzen", sagt Hübener.

Die Physiker sehen das Laser-Rastermikroskop nicht als Ersatz, aber als Ergänzung zum Elektronenmikroskop. Zwar lassen sich mit dem Elektronenmikroskop noch kleinere Größenbereiche erschließen, weil dort ein Elektronenstrahl, der auf das Untersuchungsobjekt gerichtet wird, und nicht das Licht die Auflösungsgrenze bestimmt. Doch hat das Elektronenmikroskop zwei, zuweilen entscheidende Nachteile: Zum einen läßt sich die Probe nicht in einem starken Magnetfeld untersuchen, denn der Elektronenstrahl wird von einem Magnetfeld abgelenkt. Zum anderen beschädigen die energiereichen Elektronen das Präparat, so daß es mit der Zeit immer schlechter wird. "Das Licht des Lasers wird dagegen im Magnetfeld nicht abgelenkt und ist viel sanfter, es bleibt an der Oberfläche des Präparates", erklärt Bühler. Diese Möglichkeiten sind wohl auch der Grund, warum schon jetzt, da sich der Magnetkryostat noch im Bau befindet, Interessenten anderer Universitäten und Forschungseinrichtungen mit unterschiedlichen Proben, etwa hochempfindlichen Magnetfeldsensoren (Hochtemperatursupraleiter-SQUIDS) oder Materialien für magnetoelektronische Bauelemente, die die zukünftigen Speichermedien für Computer werden könnten, Schlange stehen.

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