50 Jahre Feldionenmikroskopie

In seiner Heimatstadt würdigt das 47. Internationale Feld-Emissions-Symposium, das vom Hahn-Meitner-Institut in Berlin-Wannsee organisiert wird, ganz besonders die wegweisenden Arbeiten Erwin W. Müllers - schließlich feiert nicht nur das Feldionenmikroskop seinen 50. Geburtstag, der in Berlin-Treptow geborene Wissenschaftler wäre in diesem Jahr auch 90 Jahre alt geworden.

Dass einzelne Atome sichtbar sind, ist für Wissenschaftler heute selbstverständlich. Aber es ist noch gar nicht so lange her, da träumten Forscher noch davon, die kleinen Teilchen mit eigenen Augen sehen zu können. Es war ein deutscher Physiker, der den Traum vor 50 Jahren Wirklichkeit werden ließ: Erwin W. Müller lieferte 1951 erstmals den Beweis dafür, dass es tatsächlich möglich ist, einzelne Atome zu bestaunen. Der gebürtige Berliner hatte das Feldionenmikroskop (FIM) entwickelt: Mit ihm waren atomare Auflösungen von metallenen Oberflächen Realität geworden. Doch das, was eine kleine Revolution auf dem Gebiet der Optik und der Oberflächenwissenschaften bedeutete, wurde in der technischen Literatur zu Beginn der fünfziger Jahre bloß als ein kleiner Schritt in der Evolution dargestellt.

Große Ehre wird dem früheren Berliner Professor jedoch vom 29. Juli bis zum 3. August 2001 zuteil. In seiner Heimatstadt würdigt das 47. Internationale Feld-Emissions-Symposium, das vom Hahn-Meitner-Institut in Berlin-Wannsee organisiert wird, ganz besonders die wegweisenden Arbeiten Erwin W. Müllers - schließlich feiert nicht nur das Feldionenmikroskop seinen 50. Geburtstag, der in Berlin-Treptow geborene Wissenschaftler wäre in diesem Jahr auch 90 Jahre alt geworden. Und noch eine Entwicklung Müllers begeht einen Jahrestag: Das Feldelektronenmikroskop wird 65.

Mit diesem optischen Apparat machte Müller die Fachwelt 1936, ein Jahr nach Abschluss seines Physik-Studiums an der Technischen Universität Berlin, erstmals auf sich aufmerksam. Neben dem Studium hatte Erwin W. Müller auch das Physikalische Kolloquium der Friedrich-Wilhelm-Universität (heute Humboldt-Universität) besucht, wo er großen Physikern wie Albert Einstein, Max Planck, Max von Laue, Walther Hermann Nernst und auch Gustav Hertz begegnete. Bei Hertz sprach Müller wegen eines Themas für seine Dissertation vor und stieß auf offene Ohren. Allerdings hatte Gustav Hertz aus Protest gegen die nationalsozialistische Diskriminierungspolitik seinen universitären Lehrstuhl geräumt und die Direktorenstelle im neuen Berliner Forschungslabor der Firma Siemens angetreten. Müller, den er für eine Arbeit auf dem Gebiet der Feldelektronen-Emissionsforschung begeistern konnte, nahm er gleich mit zu Siemens.

Das Hauptproblem der damaligen Feldemissionsforschung war die Herstellung einer Kathode in Form eines dünnen Drahts mit einer scharfen Spitze, die eine glatte, kraterfreie Oberfläche hatte. Denn abgebildet wird im Feldelektronenmikroskop nicht ein Objekt, das in den Strahlengang gebracht wird, sondern die metallene Spitze selbst. Aus der spitzenförmigen Kathode treten Elektronen aus, die auf den Leuchtschirm projiziert werden. Auf die vorhandenen Probleme - keine glatte Oberfläche und damit keine Reproduzierbarkeit der Ergebnisse - stieß auch Erwin W. Müller während seiner Doktorarbeit. Er hatte jedoch eine Lösung parat: Er "glättete" die Spitze, indem er sie zunächst erwärmte - die Spitze nahm durch die Wärme eine gleichmäßige kalottenförmige Oberfläche an - und legte an die wieder erkaltete Kathode eine hinreichend große Spannung an. Die Elektronen strömten reproduzierbar aus und erzeugten auf dem Leuchtschirm ein Abbild der Spitze. Das Feldelektronenmikroskop, ein Projektionsgerät, mit dem sich nahezu millionenfach vergrößerte Abbildungen der Spitze erzeugen lassen, war geboren.

Die Bilder allerdings, so meinte Müller, seien noch verbesserungsfähig und so widmete er sich 1951 als Mitarbeiter am heutigen Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (damals noch Kaiser-Wilhelm-Institut für Physikalische Chemie) und als Professor der Freien Universität Berlin der Weiterentwicklung des Feldelektronenmikroskops. Statt Elektronen nutzte er diesmal Heliumionen zur Abbildung, die eine höhere Auflösung liefern, weil sie schwerer sind als Elektronen und sich deshalb auch weniger bewegen: Ein Meilenstein der Optik und der Oberflächenwissenschaften - dank des Feldionenmikroskops waren erstmals Atome von Metalloberflächen sichtbar.

Aus der Methode Erwin W. Müllers, der nach Entwicklung des FIM einen Lehrauftrag an der Universität von Pennsylvania in den USA annahm, ist in den vergangenen 50 Jahren ein weites Anwendungsgebiet entstanden. Die FIM, die als eine Technik zur Visualisierung von metallenen Oberflächen begann, hat sich zu einer analytischen Methode entwickelt, mit der sich die chemische Zusammensetzung im Nanometerbereich messen und der Aufbau von winzigsten Kristallen im Raum darstellen läßt. So können die Forscher mit dem FIM beispielsweise das Kristallwachstum beobachten und dabei möglichen Kristallbaufehlern auf die Schliche kommen. Auch gelang es den Wissenschaftlern durch den Einsatz des FIM, Oberflächenreaktionen zu verstehen und zu erklären, was insbesondere für das Verständnis von katalytischen Reaktionen von großer Bedeutung ist. Viele chemische Prozesse wären ohne den Einsatz von Katalysatoren, wie beim Pkw, überhaupt nicht möglich, denn oft eignen sich nur Stoffe mit ganz bestimmten Oberflächen als Katalysator. Einen wesentlichen Beitrag leisteten Müllers Arbeiten zum FIM auch bei der Entwicklung des Raster-Tunnelmikroskops, für das die beiden deutschen Physiker Heinrich Rohrer und Gerd Binning 1986 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden.

Auf dem 47. Internationalen Feld-Emissions-Symposium berichten Wissenschaftler über ihre aktuellen Arbeiten auf dem Gebiet der analytischen Mikroskopie. Um den Vater des Feldionenmikroskops zu würdigen, startet die Konferenz im "Palais Am Festungsgraben" in Berlin-Mitte mit Vorträgen über die historische Entwicklung, die an Erwin Müller und die Anfänge der Feld-Emissions-Forschung erinnern. Dr. Nelia Wanderka, vom Hahn-Meitner-Institut, das die internationale Tagung veranstaltet, erwartet rund 140 Teilnehmer aus der ganzen Welt.