DESY-Lichtquelle PETRA III bietet Rekord-Röntgenblick

Röntgen-Rastermikroskop erreicht mit 10 Nanometern weltbeste Auflösung

30.07.2012

Schroer et al.

Aufnahme des Siemenssterns aus Tantal mit dem Röntgenrastermikroskop an der Messstation P06.

Ein neuartiges Mikroskop bei DESY bietet den weltweit schärfsten Röntgenblick. Dank der außergewöhnlichen Brillanz von DESYs Röntgenquelle PETRA III kann das Mikroskop noch bis zu zehn Nanometer kleine Details abbilden - das ist zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Nur an wenigen Orten auf der Welt ist eine so feine optische Auflösung möglich.

Das Instrument wurde von einem Team um Prof. Christian Schroer von der Technischen Universität Dresden gemeinsam mit DESY-Forschern am Messplatz P06 gebaut und vom Bundesforschungsministerium gefördert. Es steht bereits allen Nutzern zur Verfügung. Mögliche Anwendungen sind etwa die Abbildung von Strukturen in Mikrochips oder die Untersuchung der Chemie von Katalysator-Nanoteilchen.

Das Rasterröntgenmikroskop setzt auf die Technik der sogenannten Ptychographie. Das heißt, es bildet die Untersuchungsobjekte nicht direkt ab, sondern registriert die Beugungsmuster, die entstehen, wenn die Probe mit einem feinen Röntgenstrahl abgerastert wird. Der Röntgenstrahl fährt das Untersuchungsobjekt dazu Punkt für Punkt ab, aus der Gesamtheit der Beugungsbilder entsteht dann ein Abbild der Probe.

"Mit der Ptychographie umgeht man die Beschränkung der Auflösung in der konventionellen Mikroskopie", erläutert Schroer. Je mehr Details sich vor allem im Außenbezirk des Beugungsbilds aufzeichnen lassen, desto genauer wird die Abbildung. Durch die enorme Helligkeit von PETRA III ist das Beugungsbild auch weit in den Außenbezirken noch erkennbar. So erreicht das Rasterröntgenmikroskop bei DESY die Rekordauflösung von zehn Nanometern - das ist mindestens doppelt so gut wie in der konventionellen Mikroskopie möglich.

"Das ist ein Musterbeispiel für die Anwendung einer Hochbrillanzquelle", betont Schroer. Seine Gruppe demonstrierte die Fähigkeiten des Rasterröntgenmikroskops durch Abbildung eines sogenannten Siemenssterns, in dem sich weiße und schwarze Strahlen abwechseln, aus dem Metall Tantal. Die Technik eignet sich für zahlreiche Anwendungen im Nanokosmos, etwa um die Struktur von Mikrochips abzubilden oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu untersuchen. Darüber hinaus kommt sie für zahlreiche Proben aus den Bereichen Geo- und Umweltwissenschaften sowie der Biomedizin infrage.

Im Prinzip ist die Auflösung des Mikroskops nur durch die Röntgenstrahldichte auf der Probe beschränkt. In Zukunft kann diese durch Optimierung der fokussierenden Röntgenoptik noch wesentlich gesteigert werden, so dass eine Auflösung mindestens bis hinunter zu einem Nanometer möglich wird.

Originalveröffentlichung:

"Hard x-ray scanning microscopy with coherent radiation: Beyond the resolution of conventional x-ray microscopes", A. Schropp et al., Appl. Phys. Lett. 100, 253112 (2012)

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