Neuartige Röntgenlinse schärft Blick in den Nanokosmos

„Für die Untersuchung des Nanokosmos verwendet man Röntgenstrahlung, weil sie viel feinere Details zeigen kann als sichtbares Licht, und weil sich mit ihr ins Innere von Objekten hineinschauen lässt“, erläutert Bajt. Die Feinheit der Details, die sich erkennen lassen, hängt grundsätzlich von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung ab. Röntgenstrahlung hat sehr kurze Wellenlängen zwischen 0,01 und 1 Nanometer (nm; millionstel Millimeter), sichtbares Licht hingegen hat Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometern.

Die hohe Eindringtiefe von Röntgenstrahlung ermöglicht die dreidimensionale Tomographie von Objekten wie biologischen Zellen, Computerchips oder Nanomaterialien für Energieumwandlung oder -speicherung. Die hohe Eindringtiefe bedeutet allerdings auch, dass Röntgenstrahlung durch konventionelle Linsen einfach hindurch fliegt, ohne gebeugt oder fokussiert zu werden.

Durch hochpolierte Spezialspiegel lässt sich Röntgenstrahlung unter flachem Winkel nach und nach in die gewünschte Richtung lenken und auf diese Weise fokussieren. Die Fokussierung mit Hilfe von Spiegeln ist jedoch aufwendig, und die Spiegel sind sehr teuer. Eine alternative Methode ist die Verwendung von Kristallen. Am Kristallgitter wird Röntgenstrahlung gestreut, wie der deutsche Physiker Max von Laue vor rund einem Jahrhundert entdeckt hat.

Dieser Effekt lässt sich über künstliche Kristalle nutzen, die im Labor gezielt aus zahlreichen Schichten von zwei oder mehr Materialien aufgebaut werden. Aus solchen künstlichen Kristallen lassen sich sogenannte Multischicht-Laue-Linsen (MLL) produzieren, die das Röntgenlicht gerade so streuen, dass es scharf auf einen Punkt fokussiert wird. Dazu müssen die Multischichten – gemäß dem Fresnel-Zonenplatten-Gesetz – eine bestimmte Struktur haben, bei der die einzelnen Schichten immer dünner werden. Die dünnste Schicht bestimmt dabei die räumliche Auflösung, die sich mit einer MLL erreichen lässt. „Konventionelle Laue-Linsen sind aus geometrischen Gründen allerdings in ihrer Beugungsfähigkeit begrenzt“, erläutert Bajt. „Um die optimale Ablenkkraft zu bekommen, müssen die Lagen einer Laue-Linse leicht gegeneinander gekippt sein.“

Theoretische Berechnungen zeigen, dass die Lagen einer solchen Linse leicht keilförmig sein müssen, so dass sie gemeinsam den Ausschnitt aus einem Ring aufbauen, der einen Durchmesser vom Vierfachen der gewünschten Brennweite hat. Diese recht spezielle Eigenschaft ließ sich bislang nicht herstellen. Bajts Team hat dazu einen neuen Produktionsprozess entwickelt. Multischicht-Linsen werden üblicherweise hergestellt, indem die gewünschten Materialien mit Hilfe der sogenannten Plasmazerstäubung zu einem feinen Nebel zerstäubt werden, um sich dann auf einem Trägermaterial abzulagern. Auf diese Weise lässt sich Schicht um Schicht auftragen, die Schichten können dabei dünner als ein Nanometer sein.

Das DESY-Team nutzte bei diesem Prozess eine Maske, mit der sich die Ablagerung der Schichten während der Herstellung teilweise abschatten lässt. Im Halbschatten der Maske entsteht die gewünschte keilförmige Struktur, wobei sich der Kippwinkel der Schichten gegeneinander über den Abstand der Maske zum Trägermaterial präzise kontrollieren lässt. Die keilförmige Laue-Linse wird anschließend aus der Halbschattenregion herausgeschnitten. „Vor uns ist es niemandem auch nur in Ansätzen gelungen, eine solche keilförmige Linse herzustellen“, betont Bajt.

Die Forscher produzierten eine Keilstruktur aus 5500 abwechselnden Schichten von Siliziumkarbid (SiC) und Wolfram mit variierender Dicke. Die Linse, die schließlich aus dieser Struktur geschnitten wurde, ist 40 Mikrometer (tausendstel Millimeter) breit, 17,5 Mikrometer dick und 6,5 Mikrometer tief. Im Test an der Messstation P11 von DESYs ultraheller Röntgenquelle PETRA III erzeugte die neuartige Linse einen Fokus von nur acht Nanometern – nah am theoretischen Wert von sechs Nanometern. Die Tests zeigten auch, dass die Helligkeit quer über die Linse sehr gleichmäßig ist, das ist eine wichtige Voraussetzung für hochqualitative Abbildungen. Die Linse ist dabei so ausgelegt, dass bis zu 60 Prozent des eingestrahlten Röntgenlichts den Fokus erreichen können.

Die Linse fokussiert das Röntgenlicht zunächst nur in einer Richtung, was zu einer schmalen Linie führt. Um die Strahlung auf einen Punkt zu fokussieren, können zwei Linsen senkrecht hintereinander eingesetzt werden, von denen eine die vertikale und die andere die horizontale Fokussierung übernimmt.

„Die Ergebnisse belegen, dass unsere Fabrikationstechnik Linsen mit hoher Fokussierungskraft liefern kann. Wir sind überzeugt, dass wir mit unserer Methode sogar noch bessere Linsen erreichen können“, sagt Bajt. „Das seit langem verfolgte Ziel, Röntgenstrahlung auf einen Nanometer zu fokussieren, scheint nun erreichbar.“ Damit würden Röntgenmikroskope die Auflösung von Rasterelektronenmikroskopen erreichen, wobei sie nicht auf die Untersuchung von Oberflächen oder extrem dünnen Proben beschränkt sind. „Unser neuartiges Linsenkonzept wird Forschern helfen, tiefer in den Nanokosmos zu spähen und bislang unerreichbare Details sichtbar zu machen,“ betont Bajt.

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Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

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Originalveröffentlichung
High numerical aperture multilayer Laue lenses
Andrew J. Morgan, Mauro Prasciolu, Andrzej Andrejczuk, Jacek Krzywinski, Alke Meents, David Pennicard, Heinz Graafsma, Anton Barty, Richard J. Bean, Miriam Barthelmess, Dominik Oberthuer, Oleksandr Yefanov, Andrew Aquila, Henry N. Chapman, and Saša Bajt
„Scientific Reports”, 2015; DOI: 10.1038/srep09892

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Wissenschaftliche Ansprechpartnerin
Dr. Saša Bajt
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Tel. +49 40 8998-2082
sasa.bajt@desy.de