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ASTEM – Elektronenmikroskop der Superlative

Leichte und dennoch widerstandsfähige Materialien für die Automobil- und Luftfahrtindustrie, noch kleinere und effektivere Computerchips, Werkstoffe hart wie Diamanten und gleichzeitig formbar wie Wachs – das sind die Herausforderungen für die moderne Materialforschung. Das Verstehen von strukturellen und funktionellen Eigenschaften ist die Basis, um Materialien für alle Bereiche des Lebens und für Anwendungen in Wirtschaft und Industrie weiter zu entwickeln. Mit Elektronenmikroskopen untersuchen Forschende im Field of Expertise Advanced Materials Science Strukturen von Materialien im Nanobereich – ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter. Mit dem Hochauflösungselektronenmikroskop ASTEM verfügt das Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz gemeinsam mit dem Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik an der TU Graz über eines der leistungsfähigsten Elektronenmikroskope weltweit.

Neue Dimensionen

Nanoanalytik, das heißt die Erforschung kleinster Strukturen, spielt heute in vielen Bereichen der Materialforschung eine große Rolle. Nano leitet sich vom griechischen Wort für Zwerg (nánnos) ab und bezeichnet eine Maßeinheit, die ein Millionstel von einem Millimeter beträgt. Materialeigenschaften werden oft durch sehr kleine Unterschiede in der Zusammensetzung bestimmt, die Entwicklung neuer Materialen erfordert daher Analysemethoden mit einer Auflösung im atomaren Maßstab. Bevor ein Material mit perfekten Eigenschaften für bestimmte Anwendungen hergestellt werden kann, müssen Forschende die chemische und strukturelle Zusammensetzung im Nanobereich kennen und verstehen. Forschende können mit dem Elektronenmikroskop ASTEM in neue Dimensionen vordringen und kleinste Objekte untersuchen.

Blick in die Nanowelt

ASTEM ermöglicht extrem exakte Messungen: Ein mit 70 Picometern – ein Picometer entspricht einem Milliardstel Millimeter – fast unvorstellbar feiner Elektronenstrahl tastet die Oberfläche des Stoffs ab. Abstände zwischen Atomen von 0,14 Nanometern sind so messbar. Forschende können sogar feststellen, aus welchen Elementen sich eine Probe zusammensetzt. Die atomar aufgelöste Analytik erlaubt uns, die Art eines Atoms zu bestimmen: Atompositionen werden erkennbar, wir können auch die chemische Ordnungszahl zuordnen, erklärt Ferdinand Hofer, Institutsleiter. Damit können Forschende das Innerste von Materialien, das heißt ihre strukturellen und funktionellen Eigenschaften besser verstehen. Das Mikroskop soll neben der Grundlagenforschung am Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz und an der TU Graz vor allem der heimischen Wirtschaft zugutekommen: Mit den gewonnen Kenntnissen lassen sich Werkstoffe weiter verbessern, neue Pharmazeutika entwickeln oder elektronische Bauteile perfektionieren.

Atomar auflösende Elektronentomografie

Die Forschenden untersuchen kleinste Objekte chemisch, strukturell und hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften in 3D. Die von den Forschenden neu entwickelte atomar auflösende Elektronentomografie nennt sich „Atomografie“ und eröffnet neue Wege in der Materialforschung. Die Forschenden gewinnen detaillierte Einblicke in den atomaren Aufbau und in atomare Prozesse von Festkörpern und Biomaterialien. Mit dem Elektronenmikroskop stellen sie fest, wie Objekte im Nanobereich aufgebaut sind, welche Eigenschaften sie haben und woraus sie bestehen. Damit finden Forschende heraus, aus welchen Elementen sich ein Objekt zusammensetzt und an welcher Position sich welche Atome befinden. Analysiert werden beispielsweise Halbleiter, Stähle und Legierungen im Nanometerbereich.

Grenzflächen untersuchen

Die Forschenden untersuchen die Grenzflächen, also jene Stellen, wo zwei Schichten in einem Bauelement aufeinander treffen. Sie beschäftigen sich dabei mit folgenden Fragen: Wie gehen die Schichten ineinander über? Welche Probleme bereiten die Fertigungsprozesse? Entstehen an den Grenzflächen Fehler, Löcher oder Ungenauigkeiten? Mit dem Elektronenmikroskop können die Forschenden auf atomarer Ebene durch dünne Schichten schauen und bestimmen, welche Atomsorten sich dort befinden und wie sie zusammenhalten. Die Forschenden untersuchen, was an diesen Grenzflächen passiert, wohin welche Materialien diffundieren und wie Defekte entstehen.

Was leistet das ASTEM?

Das ASTEM ermöglicht die Charakterisierung von Nanostrukturen in kristallinen Materialien wie Halbleitern und Metallen – einschließlich ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer physikalischen Eigenschaften. Dazu werden im ASTEM Elektronen auf 300.000 Volt beschleunigt, um dünne Proben mit einer Dicke von 10 bis 100 Nanometern zu durchstrahlen. Das ASTEM wird hauptsächlich im Rastermodus betrieben: Hierbei tastet ein extrem feiner Elektronenstrahl die dünne Probe ab. Die durch Wechselwirkung mit den Probenatomen gestreuten Elektronen werden von speziellen Detektoren aufgefangen. Beim ASTEM kann der Strahldurchmesser auf weniger als 0,1 Nanometer reduziert und der Strahlstrom gegenüber konventionellen Systemen gleichzeitig um den Faktor 10 erhöht werden. Damit können die Messzeiten und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, das heißt die technische Qualität eines Nutzsignals, das von einem Rauschsignal überlagert wird, in den Bildern und bei spektroskopischen Daten entscheidend verbessert werden.

Bildquelle: Margit Wallner – TU Graz

Das Hochauflösungselektronenmikroskop ASTEM nimmt mit einer Höhe von fast 4 Metern einen ganzen Raum im Gebäude der TU Graz in der Steyrergasse ein. Ferdinand Hofer dazu:

Je kleiner die Objekte, desto größer die Geräte.

 

 

Bildquelle: Ferdinand Hofer
Ferdinand Hofer, Leiter des Instituts für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik

2011 haben wir das Hochauflösungselektronenmikroskop ASTEM in mehreren Monaten aufgebaut und seither haben wir vielfältige Erfahrungen damit gesammelt. Wir verfügen über ein Mikroskop, das weltweit eines der leistungsfähigsten ist. Damit können wir helfen, Werkstoffe zu verbessern, Pharmazeutika zu entwickeln und elektronische Bauteile zu perfektionieren.

Bildquelle: Margit Wallner – TU Graz

Der Forscher Christian Gspan führt eine Probe in Hochauflösungselektronenmikroskop ASTEM ein.

Bildquelle: Margit Wallner – TU Graz
Gerald Kothleitner, Arbeitsgruppenleiter für atomar auflösende Elektronenmikroskopie

Wir sind den ideal designten Materialien für unterschiedliche Anwendungen einen großen Schritt näher. Wir wissen nun, welche Atome sich in einer Probe befinden und wie diese Atome angeordnet sind. Wir haben erstmals einen dreidimensionalen Blick auf die chemische und strukturelle Zusammensetzung von Nanoteilchen.

Bildquelle Margit Wallner – TU Graz
Evelin Fisslthaler, Projektleiterin für „Quantitative Analyse innerer Grenzflächen“

Wir wollen in dem Projekt mehrere Dinge erreichen. Einerseits gilt es, Antworten auf offene Fragestellungen aus der Bauteilentwicklung zu finden, andererseits hoffen wir, dass wir die Untersuchungsmethodik verbessern und uns auf bestimmte Anwendungsfälle besser vorbereiten können.

Bildquelle: Christian Gspan, Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz

Die Abbildung zeigt die Struktur eines Aquamarins: links atomar aufgelöst, rechts oben der ursprüngliche Kristall vor der Zerschneidung, rechts unten die Kristallstruktur mit den Atomsäulen – rot ist Sauerstoff, blau ist Silizium, grau ist Aluminium und grün ist Beryllium.

Bildquelle: Margit Wallner – TU Graz

Die Projektleiterin Evelin Fisslthaler und der Arbeitsgruppenleiter Werner Grogger besprechen die Ergebnisse, die mit dem Hochauflösungselektronenmikroskop ASTEM gemessen wurden.

Bildquelle: Christian Gspan - TU Graz

Zu sehen ist ein Halbleiter-Querschnitt von zwei Wolframkontakten. In einer Welt, die ohne Halbleiter nicht mehr funktionieren könnte, sind regelmäßige Qualitätskontrollen das Um und Auf.

Kontakt

Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik und
Zentrums für Elektronenmikroskopie Graz
Steyrergasse 17/III
8010 Graz
www.felmi-zfe.at

Ferdinand HOFER
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institutsleiter
Tel.: +43 316 873 8820
ferdinand.hofernoSpam@tugraz.at

Stefanie STÜCKLER
Mag. M.A
Öffentlicheitsarbeit
Tel.: +43 316 873 8335
stefanie.stuecklernoSpam@felmi-zfe.at

Bildquelle: Margit Wallner – TU Graz

Das Team vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik und des Zentrums für Elektronenmikroskopie Graz

Zusammenarbeit macht erfolgreich

Um die Forschungsziele zu erreichen, kooperieren Forschende vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ der TU Graz national und international mit zahlreichen Forschungseinrichtungen.

Nationale Kooperationen

  • ACR Austrian Cooperative Research, Wien
  • Austria Micro Systems, Unterpremstätten
  • AT&S, Leoben
  • AVL Graz
  • EPCOS AG, Deutschlandsberg
  • Infineon Technologies Austria AG, Villach
  • Institut für Anorganische Chemie, TU Graz
  • Institut für Chemische Technologie von Materialien
  • Institut für Experimentalphysik, TU Graz
  • Institut für Festkörperphysik, TU Graz
  • Institut für Materialphysik, TU Graz
  • Institut für Werkstoffkunde, TU Graz
  • Lam Research Corporation, Villach
  • Magna 
  • Medizinische Universität Graz
  • Montanuniversität Leoben
  • NAWI Graz
  • Universität Linz

 

Internationale Kooperationen

  • Elektronenmikroskopie-Netzwerk ESTEEM
  • Forschungszentrum Jülich, Deutschland
  • Fritz- Haber-Institute (MPG) in Berlin, Deutschland
  • Okinawa Institute of Technology, Japan
  • Sentinel Projekt mit der Chinese Academy of Science Shanghai, China
  • University of Cambridge, Großbritannien
  • University of Melbourne, Australien
  • University of Tennessee, Knoxville USA