Rekordauflösung in der Röntgenmikroskopie

Fresnel-Zonenplatten werden üblicherweise als diffraktive Fokussierlinsen in der Röntgenmikroskopie eingesetzt. Im Erlanger STXM am Paul-Scherrer-Institute werden Röntgenstrahlen mittels solcher Fresnel-Linsen fokussiert und die Probe wird zur Abtastung mit höchster Präzision durch diesen Fokus bewegt. Der transmittierte Strahl ist ein Maß für die lokale Röntgenabsorption, die wiederum Informationen über Variationen der elementaren und chemischen Zusammensetzung, sowie elektronische und magnetische Eigenschaften enthält. (Grafik: Dr. Benedikt Rösner, Paul-Scherrer-Institut)

16. November 2020

Mikroskopie mit weicher Röntgenstrahlung findet Verwendung in einer großen Zahl sehr unterschiedlicher Forschungsgebiete zur Charakterisierung diverser Materialeigenschaften. Die Methode kann einerseits die Nanostruktur dünner organischer Filme aufklären, deren Anwendungsbereiche in der Solarzellen- und Batterieentwicklung liegen, andererseits können Spin-Dynamiken in neuartigen magnetischen Nanosystemen untersucht werden, auf denen zukünftige Datenspeichersysteme basieren könnten. Die Verfolgung chemischer Prozesse in biologischen Zellen ist genauso in-situ möglich, wie die Aufklärung katalytischer Reaktionen an Partikeln aus der Atmosphärenchemie. Auch geologische Proben gehören zum üblichen Spektrum. In vielen dieser Fälle spielen Nanostrukturen im Größenbereich von 10 – 50 nm eine wichtige Rolle. Eine optimal geeignete Mikroskopietechnik sollte demnach eine deutlich bessere räumliche Auflösung haben, um alle Zielstrukturen ordentlich abzubilden.

Die kurze Wellenlänge weicher Röntgenstrahlen bietet ein theoretisches Auflösungslimit von 1 – 5 nm gemäß dem zur Abschätzung üblichen Abbe-Kriterium. Trotz erheblichen Aufwands wurde dieses Beugungslimit in der Abbildung mit weicher Röntgenstrahlung bisher nicht erreicht. Eine Auflösung besser als 10 nm wurde nur mit indirekt bildgebenden Methoden gezeigt, die eine nachträgliche Bildrekonstruktion erfordern. Standardexperimente werden üblicherweise mit einer Auflösung schlechter als 25 nm durchgeführt. Das Auflösungslimit wird hauptsächlich von der Entwicklung der lithografischen Methoden zur Herstellung der notwendigen diffraktiven Optiken beeinflusst, sogenannter Fresnel-Zonenplatten.

Ein internationales Team bestehend aus Forschern vom Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz (Dr. Christian David, Dr. Jörg Raabe und FAU-Alumnus Dr. Benedikt Rösner), des Lehrstuhls für Physikalische Chemie II an der FAU (Prof. Dr. Rainer Fink und Dr. Andreas Späth) und weiterer Institute aus Paris, Hamburg und Basel, konnten nun eine Rekordauflösung für die direkte Mikroskopie mit weicher Röntgenstrahlung von 7 nm erreichen. Eine Auflösung im einstelligen Nanometerbereich konnte hierbei bei mehreren Experimenten an den Röntgenmikroskopen PolLux (Swiss Light Source, Schweiz) und HERMES (Sychrotron SOLEIL, Frankreich) gezeigt werden. Ein bemerkenswertes Detail der Arbeit ist dabei, dass die Rekordauflösung nicht nur mit speziell designten Teststrukturen erreicht wurde, sondern direkt ein Anwendungsproblem adressiert werden konnte. Hierbei wurde die Kopplung der magnetischen Orientierung von Eisennanopartikeln im Größenbereich 5 – 20 nm untersucht. Die Studie wurde in Optica, dem führenden Journal der renommierten Optical Society of America, publiziert (DOI: 10.1364/OPTICA.399885).

Die beteiligten Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese signifikante Verbesserung der Auflösung eine Reihe höchstrelevanter Studien insbesondere in den Bereichen Solarzellenmaterialien und Nanomagnetismus nach sich ziehen wird, da die relevanten Strukturgrößen in diesen Gebieten sich häufig nahe am oder sogar unterhalb des bisherigen Auflösungslimits befinden.

Das Projekt erhielt Fördergelder vom Bundesminister für Bildung und Forschung (BMBF, Projekte 05K16WED und 05K19WE2), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG Projekt SP 1775/1-1) und aus dem EU-H2020 Forschungs- und Innovationsprogramm.

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Fink
rainer.fink@fau.de