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Angewandte Physik: Elektronenmikroskop kann einzelne Atome unterscheiden

STEM-Aufnahme einer Bornitridprobe
Mikroskope, die nicht anhand von Licht, sondern mittels Elektronen eine Probe inspizieren, sind theoretisch in der Lage, einzelne Atome in dünnen Schichten zu erkennen und ihre Sorte zu ermitteln. Physiker sind beim Überwinden der damit verbundenen technischen Schwierigkeiten jetzt ein großes Stück weitergekommen.

STEM-Aufnahme einer Bornitridprobe | Mit einem SuperSTEM100-Instrument wurde die Aufnahme einer einlagigen Schicht aus Bornitrid (BN) angefertigt (Graustufenbild). Aus deren quantitativer Analyse konnten die Forscher nicht nur ersehen, an welchen Stellen sich die Atome des BN befinden, sondern auch Verunreinigungen identifizieren. Die darübergelegte Illustration zeigt Bor (rot), Stickstoff (grün), Kohlenstoff (gelb) und Sauerstoff (blau).
Entwickler der Nion Company in Kirkland im US-Bundesstaat Washington sowie Forscher mehrerer Institute in den Vereinigten Staaten und in Großbritannien haben dazu einen speziellen Optik-Korrektor in ein Rastertransmissionselektronenmikroskop (Scanning Transmission Electron Microscope, STEM) integriert, das mit einem Elektronenstrahl niedriger Energie arbeitet. Damit konnten sie die Abbildungsfehler, die Aberration, deutlich verringern und die Auflösung steigern.

Indem sie die so genannte Annulare Dunkelfeld-Technik (ADF) anwendeten, bei der jene Elektronen detektiert werden, die aus der ursprünglichen Strahlrichtung durch Streuung an den positiv geladenen Atomkernen der Probe herausgelenkt werden (Rutherford-Streuung), konnten sie in einer einlagigen Schicht aus Bornitrid (BN) nicht nur alle einzelnen Atome des Sechseckgitters abbilden. Sie waren dank der hohen räumlichen Genauigkeit von 0,01 Nanometern – einem 50 000stel der Wellenlänge sichtbaren Lichts – auch in der Lage, Kohlenstoff- und Sauerstoffatome zu identifizieren, die als Verunreinigungen im BN enthalten waren und die Gitterstruktur aus dem Lot brachten.

Bisherige ADF-STEM-Aufnahmen konnten zwar bereits schwerere Elemente abbilden – diese lenken die Elektronen stärker ab –, Proben mit leichten Atomen lassen sich jedoch nur mit der Aberration-Korrektur vollständig untersuchen. Außer dem SuperSTEM100-Instrument am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee (ORNL), wo die Versuche angestellt wurden, gibt es weltweit erst drei entsprechend ausgestattete Mikroskope: an der Cornell University im US-Bundesstaat New York, dem Daresbury SuperSTEM Laboratory im englischen Warrington und der Université Paris-Sud 11 in Orsay, Frankreich.

Ein verbleibendes Problem bei der Verwendung der STE-Mikroskopie zur Untersuchung von Molekülen bis zu etwa 100 Atomen Größe sind die schädlichen Einflüsse der Elektronenstrahlen. Besonders Wasserstoffatome werden durch den Beschuss oft "aus der Fassung gebracht". Auch sind die Forscher noch nicht in der Lage, dreidimensionale Bilder zu erstellen. Dies ließe sich durch Drehung einer unbeschädigten Probe und aufeinander folgender Aufnahmen erzielen. (dre)

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  • Quellen
Krivanek, O. L. et al.: Atom-by-atom structural and chemical analysis by annular dark-field electron microscopy. In: Nature 464, 571–574, 2010.

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