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Eine "Brille" fürs Elektronenmikroskop

Mit einem innovativen Korrektursystem ist es einer interdisziplinären Arbeitsgruppe, darunter Professor Knut Urban, Direktor am Jülicher Institut für Festköperforschung und am Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen, gelungen, einem grundlegenden Problem in der Elektronenmikroskopie zu begegnen. Ähnlich wie bei Linsen aus Glas tritt auch bei Elektronenlinsen ein Phänomen auf, das die Auflösung empfindlich verringert, die sphärische Aberration: Strahlen, die die Linse nahe dem Rand passieren, werden zu stark abgelenkt - das Bild verschwimmt. In Lichtmikroskopen und Kameras ordnet man deshalb mehrere Zerstreuungs- und Sammellinsen hintereinander an. Deren Störungen sind entgegengesetzt und gleichen sich deshalb aus. In Elektronenmikroskopen war eine Korrektur jahrzehntelang nicht möglich, weil es keine Zerstreuungslinsen für Elektronen gab. Zwar fand der Wissenschaftler Otto Scherzer schon Mitte des 20. Jahrhunderts eine Lösung, wie man die Fehler von Elektronenlinsen mit Hilfe von unrunden Linsen korrigieren könnte. Doch realisieren ließ sie sich mit den damaligen Mitteln nicht: Die dafür nötigen äußerst stabilen Spannungen, hocheffektiven Computersteuersysteme und feinmechanischen Methoden waren zu Scherzers Zeit noch nicht verfügbar gewesen.

Die Berechnungen für den im Institut für Festkörperforschung am Forschungszentrum Jülich gebauten Prototypen eines Korrektursystems machte Prof. Harald Rose, damals TU Darmstadt, Ende der 80er Jahre. Er ersann eine Methode, mit der die sphärische Aberration ausgeglichen werden kann. Die klassische runde Elektronenlinse wird mit unrunden Elementen, magnetischen Sechspolen, kombiniert. Sie korrigieren - ähnlich wie eine Brille - die Fehlsichtigkeit, so dass ein weitgehend fehlerfreies optisches System entsteht.

Die Darmstädter Berechnungen bildeten dann die Grundlage für ein über fünf Jahre laufendes Projekt der Volkswagen-Stiftung, in dem Dr. Maximilian Haider, damals EMBL, heute CEOS GmbH, Heidelberg, Rose und Urban den Prototypen eines Korrektursystems für ein kommerziell erhältliches Elektronenmikroskop entwickelten. Die Korrektur wurde über zwei hintereinander geschaltete Elemente erreicht, die jeweils zwölf Spulen enthalten. Jede dieser Spulen produziert ein Magnetfeld und wird per Computer so justiert, dass ihre Magnetfelder den Elektronenstrahl des Mikroskops in der gewünschten Weise korrigieren. So gelang es mit dem Prototypen, der auch heute noch im Forschungszentrum Jülich im Einsatz ist, das interpretierbare Auflösungsvermögen von 0,24 auf 0,13 Nanometer fast zu verdoppeln.

Dieser Durchbruch hat einen weltweiten industriellen Boom ausgelöst: Seit der Markteinführung der neuesten Generation aberrationskorrigierter Geräte 2004 wurden bis Ende 2006 nach vorsichtigen Schätzungen Urbans weit über 100 Mikroskope bestellt. Je nach Ausrüstung kostet ein solches Elektronenmikroskop etwa 3 bis 4 Millionen Euro.

Weitere Informationen finden Sie hier:

Pressemitteilungen:

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Prof. Knut Urban


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Elektronenmikroskop vom Typ TITAN im Ernst Ruska-Centrum


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Einzelne Atome eines Gitters können die Mikroskope des Ernst Ruska-Centrums im Forschungszentrum Jülich "sehen", hier eine Heterostruktur aus Dysprosiumscandat und Strontiumtitanat. Solche Schichten sind interessant als Gate-Oxid in Transistoren


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Prof. Knut Urban erklärt die Funktionsweise des Aberrationskorrektors


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Der Prototyp des aberrationskorrigierten Elektronenmikroskops steht in Jülich. In dem silberfarbenen Zylinder verbirgt sich die Korrekturlinse


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