Atome exakt zählen:
TU Graz entwickelt Quantifizierungsmethode mittels Elektronenmikroskopie

Messergebnisse unterliegen Unschärfen – auch im ASTEM, einem der weltweit leistungsfähigsten analytischen Elektronenmikroskope, das an der TU Graz betrieben wird. Der exakte Blick auf atomare Strukturen ist für alle Bereiche der Nanotechnologie relevant, und reicht von der Entwicklung neuer Werkstoffe bis zur Verbesserung elektronischer Bauteile. Gemeinsam mit Kollegen der University of Melbourne haben Forscher der TU Graz untersucht, welche Effekte elektronenmikroskopische Messungen zur Bestimmung atomarer Konzentrationen beeinflussen. Ergebnis ist eine völlig neue Quantifizierungsmethode für Festkörper auf atomarer Ebene. Die Arbeit wurde kürzlich im Fachjournal Physical Review Letters publiziert.

Von Halbleiterbauelementen über Keramiken bis zu Verbundmaterialien – wer atomare Strukturen charakterisieren und daraus Materialeigenschaften ableiten kann, kann Materialien auch zielgerichtet weiterentwickeln. Das Grundprinzip der Elektronenmikroskopie: Dank der physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen im Strahl eines Elektronenmikroskops und den Atomen einer Materialprobe können Forscher Aussagen über die Anordnung, Art und Anzahl von Atomen in Festkörpern treffen. Die Atome werden exakt dort gezählt, wo ein fast unvorstellbar feiner Elektronenstrahl von 70 Picometern – ein Picometer entspricht einem Milliardstel Millimeter – auf die Probe auftrifft. „Die Atome sind in kristallinen, anorganischen Proben wie Perlenschnüre angeordnet und zählbar. Allerdings hat sich gezeigt, dass quantitative Aussagen bei extrem hoher Vergrößerung und mit ultimativer Auflösung unter Anwendung klassischer Auswerteverfahren nicht mehr zulässig sind“, erläutert Gerald Kothleitner vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz. Das Institut verfügt mit dem Elektronenmikroskop ASTEM über eines der weltweit leistungsfähigsten Elektronenmikroskope, das auch der grundlegenden Erforschung geeigneter nanoanalytischer Methoden dient.

Effekte „herausrechnen“

Gemeinsam mit Kollegen der australischen University of Melbourne hat das Team rund um Gerald Kothleitner nun untersucht, welche Effekte die Messung wie stark beeinflussen. „Auch fern des Auftreffpunktes des Elektronenstrahls treten Wechselwirkungen auf, und zwar in unterschiedlichem Ausmaß an unterschiedlichen Stellen im Kristallgitter. Diese Effekte haben wir mit experimentellen Versuchen und theoretischen Simulationen genauer unter die sprichwörtliche Lupe, also unter’s Elektronenmikroskop genommen“, so Kothleitner. Anhand der Ergebnisse haben die Forscher eine völlig neue Quantifizierungsmethode entwickelt: Die verursachenden Effekte lassen sich damit aus der Messung „herausrechnen“ und führen so zur tatsächlichen Atomanzahl der Probe.

Die österreichisch-australische Arbeit ist im Rahmen des von der EU geförderten Projekts ESTEEM2 und der Austrian Cooperative Research (ACR) entstanden und wurde kürzlich im renommierten Fachjournal Physical Review Letters publiziert.

Zur Originalpublikation:
G. Kothleitner, M.J. Neish, N.R. Lugg, S.D. Findlay, W. Grogger, F. Hofer and L.J. Allen: Quantitative Elemental Mapping at Atomic Resolution Using X-Ray Spectroscopy. Physical Review Letters, February 2014.