Neues Ionen-Mikroskop verspricht einmalige Tiefen- und Detailschärfe

Annette Kunz macht sich mit dem neu installierten Ionen-Mikroskop vertraut / Bildquelle: HZDR/Oliver Killig

Das deutschlandweit erste Ionen-Mikroskop einer neuen Geräteklasse nimmt Mitte Dezember 2013 im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) seinen Betrieb auf; weltweit existieren bislang kaum zehn vergleichbare Anlagen. Damit können HZDR-Forscher sowie ihre Kollegen im Nanoanalytik-Zentrum an der TU Dresden noch tiefer in bislang unbekannte Nanowelten vordringen. Die Anlage kombiniert eine extrem hohe Tiefenschärfe mit einer Auflösung bis in den Angström-Bereich, wobei Angström (0,0000000001 m) die Größenskala bezeichnet, mit der beispielsweise der Abstand von einzelnen Atomen in einem Festkörper gemessen wird.

Im Ionenstrahlzentrum des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf kennt man sich aus mit Ionen, also mit elektrisch geladenen Atomen, werden sie hier doch vielfältig für die Oberflächenbehandlung oder auch die Untersuchung von modernen Werkstoffen eingesetzt. Auch über hochauflösende Mikroskopierverfahren verfügen die HZDR-Forscher bereits. Nach Dr. Johannes von Borany, Leiter des Ionenstrahlzentrums, bietet das neue Ionen-Mikroskop einmalige Möglichkeiten für die Erforschung neuartiger Materialien. Er ist sich sicher, dass mit den dreidimensionalen Bildern von nur wenige Nanometer großen Strukturen und den Möglichkeiten zur Nano-Fabrikation neue Bereiche erschlossen werden können. Zugleich wollen sie gemeinsam mit ZEISS die ortsaufgelöste Elementanalytik in einem Ionenmikroskop weiterentwickeln, was bisher so noch nicht möglich ist.

Das Mikroskopsystem ORION NanoFab weist gleich mehrere Vorteile auf. Die Ionen – genauer handelt es sich um geladene Helium- oder Neonatome – entstehen an einem unvorstellbar kleinen Quellpunkt, viel kleiner, als dies etwa an einem typischen Rasterelektronenmikroskop (REM) der Fall ist. An gerade einmal drei Atomen aus Wolfram bilden sich die Ionen aus Helium- oder Neongas und werden von dort beschleunigt. So ergibt sich ein extrem kleiner Durchmesser für den erzeugten Ionenstrahl – bei Helium beträgt dieser weniger als einen Nanometer. Zugleich weitet sich der Ionenstrahl auf seinem Weg bis zur Materialprobe kaum auf, das heißt, die so genannte Strahldivergenz ist gering. Und genau diese besonderen Eigenschaften des Ionenstrahls sind dafür verantwortlich, dass zum einen eine hervorragende Auflösung im Angström-Bereich und zum anderen eine einmalige Tiefenschärfe von bis zu wenigen Mikrometern (0,000001 m) erreicht werden. Mit kaum einer anderen Mikroskopiertechnik kann man so tief in einen Festkörper blicken. Das Ionen-Mikroskop liefert 3D-Bilder von nur wenige Nanometer großen Strukturen, seien es Halbleiter-Bauelemente oder auch Löcher in porösen Materialien, und das in bisher unerreichter Tiefenschärfe.

Die Funktionsweise des Ionen-Mikroskops ähnelt im Grunde der eines Rasterelektronenmikroskops. Die Ionen werden ebenso über die zu untersuchende Materialoberfläche gerastert wie beim REM die Elektronen. Ein großer Vorteil der Ionen liegt allerdings darin, dass sich unerwünschte Aufladungseffekte bei der Untersuchung isolierender Materialien durch eine Elektronendusche leicht unterdrücken lassen. Deshalb sind Ionen die Teilchensorte der Wahl, um beispielsweise poröse keramische Materialien zu untersuchen, die als zukunftsträchtige Speicher für Wasserstoff oder andere Medien gehandelt werden.

Die in der neuesten Generation des Ionen-Mikroskops von ZEISS verfügbaren Neonionen gestatten nun auch die Bearbeitung von Materialien auf der Nanometer-Skala. Der Strahlfleck beträgt hierfür nur zwei Nanometer, und damit können Strukturen in ein Material quasi gefräst oder auch Areale mit magnetischen Funktionen versehen werden.

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