Schärfer sehen mit Röntgenlicht

Unter dem Rasterelektronen- mikroskop wird sichtbar, wie genau die drei Fresnel-Zonenplatten übereinander positioniert werden konnten. Mit solchen 3D-Röntgenoptiken lassen sich Auflösung und Lichtstärke deutlich steigern.

Unter dem Rasterelektronen- mikroskop wird sichtbar, wie genau die drei Fresnel-Zonenplatten übereinander positioniert werden konnten. Mit solchen 3D-Röntgenoptiken lassen sich Auflösung und Lichtstärke deutlich steigern. © S. Werner/HZB

HZB Team entwickelt dreidimensionale Röntgenoptiken für Volumenbeugung

HZB-Physiker haben ein Verfahren entwickelt, mit Hilfe dessen zukünftig die Auflösung in der Röntgenmikroskopie deutlich erhöht und ein Vielfaches des Röntgenlichtes für die Abbildung genutzt werden kann. Sie erzeugen dafür eine dreidimensionale Röntgenoptik für Volumenbeugung, die aus übereinander gestapelten Fresnel-Zonenplatten besteht.

Diese dreidimensionalen Nanostrukturen fokussieren das einfallende Röntgenlicht wesentlich effizienter und ermöglichen die Auflösung auf unter 10 Nanometern zu verbessern. Solche neuartigen Röntgenoptiken sollen zukünftig  auch den Nutzern an der Synchrotronquelle BESSY  II zur Verfügung stehen. Sie ermöglichen es, Strukturen in biologischen Proben noch präziser als bisher zu untersuchen, sind aber auch für die Forschung an Nanostrukturen wichtig, die zum Beispiel in neuen Batteriesystemen zum Einsatz kommen. 

In der Mikroskopie begrenzt die Wellenlänge des Lichts die Auflösung. Sichtbares Licht kann Strukturen im Bereich von einem viertel Mikrometer voneinander trennen, während das deutlich kurzwelligere Röntgenlicht im Prinzip Strukturen bis in den Bereich von wenigen Nanometern auflösen kann. Zudem dringt Röntgenlicht auch tiefer in die Proben ein, so dass auch eingebettete, innere Strukturen von dreidimensionalen Proben untersucht werden können. Doch während Licht im sichtbaren Bereich durch Brechungslinsen aus Glas gebündelt werden kann,  gelingt dies mit weichem Röntgenlicht nicht. Um Röntgenlicht für Abbildungen zu nutzen, arbeitet man daher mit so genannten Fresnel-Zonenplatten aus konzentrischen Ringen, die aus Metallen wie Nickel oder Gold bestehen. Dabei wird das Röntgenlicht durch die Ringstrukturen gebeugt, wobei sich die Beiträge der verschiedenen Zonen im Fokuspunkt konstruktiv überlagern. So können Fresnel-Zonenplatten als Objektive Röntgenlicht fokussieren oder in Röntgenmikroskopen eingesetzt werden. Hierbei gibt die kleinste herstellbare Ringbreite die erzielbare Auflösung vor, die bislang bei etwa 10 Nanometern liegt.

Volumenbeugung nutzen

Eine Steigerung der Auflösung auf unter 10 Nanometer wirft fundamentale physikalische wie auch technologische Probleme auf. Einerseits ist es technologisch extrem herausfordernd, quasi periodische Zonenstrukturen mit einer  Ringbreite von weniger als 10 Nanometern und einer Strukturhöhe im Bereich einiger 100 Nanometern herzustellen. Andererseits zeigen theoretische Berechnungen, dass solche Optiken mit abnehmender Ringbreite zunehmend ineffizient wären und schlicht zu wenig Licht sammeln würden. Dieses Dilemma kann mit Hilfe der „Volumenbeugung“ gelöst werden: Diese erfordert jedoch Zonenstrukturen mit radial wachsenden Kippwinkeln und abnehmenden Zonen-Höhen, d.h. eine dreidimensional strukturierte Röntgenoptik.  „Theoretisch könnte so fast 100 Prozent des einfallenden Lichts für die Abbildung genutzt werden“, erklärt Dr. Stephan Werner von der Arbeitsgruppe Mikroskopie am HZB-Institut für Weiche Materie und Funktionale Materialien.

Verfahren ermöglicht präzises Stapeln von Fresnel-Zonenplatten

Um eine dreidimensionale Röntgenoptik zu erzeugen, haben die HZB-Experten nun drei Fresnel-Zonenplatten nahezu perfekt übereinander positioniert. „Wir haben ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Schichten aus Fresnel-Zonenplatten mit einer Präzision von weniger als zwei Nanometern übereinander zu positionieren“, sagt Dr. Gerd Schneider, der die Arbeitsgruppe Mikroskopie leitet. Die ersten Messungen zeigen, dass schon diese Strukturen deutlich mehr Licht für die Abbildung nutzen als konventionelle Fresnel-Zonenplatten. „Wenn es uns demnächst gelingt, fünf Zonenplatten aufeinander zu positionieren, wird ein Vielfaches des bisher genutzten Röntgenlichts für die Abbildung verwendet“, sagt Werner.

Im Fachjournal Nano Research berichtet das HZB-Team über die Entwicklung der neuartigen Röntgenoptik. Demnächst können auch die Nutzer an BESSY II von diesem Fortschritt profitieren. Denn die Röntgenmikroskopie ist eine wichtige Methode für ganz unterschiedliche Fragestellungen, zum Beispiel in den Lebenswissenschaften, um Zellorganellen, Viren oder Nanopartikel innerhalb von Zellen zu untersuchen, aber auch in der Material- und Energieforschung, zum Beispiel, um Prozesse in neuartigen elektrochemischen Energiespeichern in situ abzubilden.


Nano Research 2014, 7(4): 528–535
DOI 10.1007/s12274-014-0419-x

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • BESSY II: Lokalisierung von d-Elektronen vermessen
    Science Highlight
    02.10.2022
    BESSY II: Lokalisierung von d-Elektronen vermessen
    Übergangsmetalle besitzen vielfältige Anwendungen als Werkstoffe und in der Elektrochemie und Katalyse. Um ihre Eigenschaften zu verstehen, ist das Wechselspiel zwischen atomarer Lokalisierung und Delokalisierung der äußeren Elektronen in den d-Orbitalen entscheidend. Diesen Einblick ermöglicht nun eine besondere Messmethode an BESSY II mit höchster Präzision. Eine Studie an Kupfer, Nickel und Kobalt kommt dabei zu quantitativen Erkenntnissen. Die Royal Society of Chemistry hat den Beitrag als HOT Article 2022 ausgewählt.
  • 40 Jahre Forschen mit Synchrotron-Licht in Berlin
    Nachricht
    14.09.2022
    40 Jahre Forschen mit Synchrotron-Licht in Berlin
    Presseinformation _ Berlin, 14. September 2022: Die Wissenschaft ist seit Jahrzehnten ein wichtiger Treiber für Innovation und Fortschritt in der Hauptstadtregion. Kreative, talentierte Menschen aus der ganzen Welt kommen zusammen und bringen neue Ideen voran, von denen wir als Gesellschaft profitieren. Viele Entdeckungen – von grundlegenden Erkenntnissen bis zum fertigen Produkt – beruhen auf der Forschung mit Synchrotron-Licht. Seit 40 Jahren haben Forscher*innen in Berlin Zugang zu diesem intensiven Licht. Dies beflügelt viele Wissenschaftsdisziplinen und ist ein Standortvorteil für Deutschland.

  • Ein neuer Weg zu spinpolarisierten Strömen
    Science Highlight
    08.09.2022
    Ein neuer Weg zu spinpolarisierten Strömen
    Die Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMD) sind eine Materialklasse mit großem Potential für die Spintronik. Eine Studie an BESSY II hat gezeigt, dass in einem dieser Materialien bereits einfach linear polarisiertes Licht ausreicht, um Spins unterschiedlicher Ausrichtung selektiv zu manipulieren. Dieses Ergebnis eröffnet einen neuen Weg zur Erzeugung spinpolarisierter Ströme und ist ein Meilenstein für die Entwicklung spintronischer und opto-spintronischer Geräte.