Materialforschung
Bis ins kleinste Atom
Wo mit anderen Mikroskopen nur noch ein diffuses Etwas zu sehen ist, fängt das Reich des Transmissionselektronenmikroskops, kurz TEM, erst an. Mit ihm können die Forscherinnen und Forscher am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der ÖAW bis auf die atomare Ebene in Materialien hineinschauen und live mitverfolgen, was dort geschieht.
Im Alltag sind wir umgeben von nanoelektronischen Bauelementen: Unzählige metallische Leiterbahnen, welche auf einem Isolator aufgebracht sind, transportieren die elektronischen Informationen in unseren Laptops, Mobiltelefonen oder MP3-Playern. In der spanenden Fertigung sorgen ultraharte Beschichtungen dafür, dass ein Bohrer verschleißbeständig ist und lange hält. Beiden scheinbar unterschiedlichen Situationen ist gemeinsam, dass eine dünne Schichtung auf dem zugrunde liegenden Material haften muss. Um zu untersuchen, welche Werkstoffe sich dafür besonders eignen oder wo mögliche Probleme liegen, die es zu beheben gilt, müssen die Ursachen verstanden werden. Hier bedarf es eines Mikroskops, das atomare Abbildungen der Grenzfläche ermöglicht und die Bindungen messen kann.
Bis ins kleinste Atom
Möglich wird das mit dem Transmissionselektronenmikroskop JEOL 2100F am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI) der ÖAW. Mit einer Auflösung unter 0,14 Nanometer ist es das derzeit leistungsstärkste Mikroskop Österreichs und kann bis ins kleinste Atom in Materialien hineinschauen. Dazu werden maßgeschneiderte Materialproben angefertigt, Elektronen durch Anlegen hoher Spannung beschleunigt und gerichtet durch die Proben geschickt. "Diese Materialproben sind so winzig, dass sie mit dem freien Auge gar nicht mehr sichtbar sind", erklärt der ESI-Materialforscher Daniel Kiener.
Die Elektronen werden in der Probe gestreut und das dadurch entstandene Bild mit Hilfe einer Objektivlinse und weiterer Linsensysteme millionenfach vergrößert. Kern- und Angelpunkt für eine gute Auflösung ist, wie genau die Linsenfehler der Objektivlinse korrigiert werden können. "Erst vor wenigen Jahren wurde hier ein geeigneter Korrektor entwickelt", betont Zaoli Zhang, der TEM-Experte am ESI. Dieser so genannte Cs-Korrektor macht es erst möglich, die Atome verschiedener Elemente voneinander zu unterscheiden - eine wesentliche Voraussetzung für die Untersuchung von Grenzflächen zwischen Materialien.
Live in der Nanowelt
Das Leobener TEM kann jedoch noch weit mehr, als nur bis zu den Atomen blicken. Es können direkt am Mikroskop Experimente durchgeführt und live mitbeobachtet werden. Die Proben können großer Kälte oder Hitze und verschiedenen Belastungen ausgesetzt werden: "Wir können bis plus 1000 Grad Celsius aufheizen, mit flüssigem Stickstoff bis minus 196 Grad Celsius kühlen, wir können Materialproben mechanischen Belastungen aussetzen oder Strom anlegen und messen, was sich dadurch verändert", erläutert Kiener. Chemische Analysegeräte erlauben auch chemische Veränderungen der Materialien im Verlauf der Experimente zu untersuchen. Diese Live-Experimente sind für die Materialentwicklung wesentlich. Denn Materialien sollen unter den verschiedensten Umwelteinflüssen möglichst lange funktionieren. Ob sie das können, erfährt man nur, wenn man sie unter möglichst vielen potenziellen Belastungssituationen testet.
Die richtige Atmosphäre
Damit das TEM reibungslos funktioniert, muss es von allen äußeren Einflüssen abgeschirmt werden. Es steht in einem Kellerraum des ESI-Gebäudes in Leoben auf einem Betonblock, damit es von den Schwingungen des umgebenden Gebäudes getrennt ist. Um die Raumtemperatur konstant zu halten und jeden direkten Luftzug auszuschalten, gibt es keine aktive Lüftung, sondern Kühldecken an der Decke. Der Raum ist vollständig schallisoliert: Nur zu sprechen, kann bereits das Messergebnis beeinflussen. Und auch dafür, dass das Magnetfeld der ein paar hundert Meter entfernten Eisenbahn nicht stören kann, ist gesorgt: Es wird durch spezielle Vorrichtungen kompensiert.
Wer mit seinem Handy also ein dringendes Telefonat zu führen hätte, sollte sich vom TEM fernhalten. Wer jedoch live beobachten will, wie Atome durch das TEM zum Leben erweckt werden, ist herzlich willkommen.
Videos:
Das Transmissionselektronenmikroskop in Aktion
Kontakt:
Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI)
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Jahnstr. 12, 8700 Leoben
www.oeaw.ac.at/esi
Dr. Daniel Kiener
T +43 3842 804-412
daniel.kiener@oeaw.ac.at
Dr. Zaoli Zhang
T +43 3842 804-311
zaoli.zhang@oeaw.ac.at
Dezember 2011