Durchbruch in der Elektronenmikroskopie – Dritte Dimension aus einer Aufnahme rekonstruiert

3D-Rekonstruktion eines Nanokristalls – hier eines Magnesiumoxid-Nanokristalls (unten) – aus einer einzigen elektronenmikroskopische Aufnahme. Rote Kugeln stehen für Magnesium, blaue für Sauerstoff. Quelle: Forschungszentrum Jülich

Wissenschaftler aus Jülich und Xian haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich Kristallstrukturen in allen drei Dimensionen atomgenau rekonstruieren lassen. Sie verwendeten für dieses Kunststück die Aufnahme eines ultrahoch auflösenden Elektronenmikroskops. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Materials erschienen (DOI: 10.1038/nmat4087).

Das Verfahren eignet sich insbesondere auch, um strahlungsempfindliche Proben vollständig räumlich zu erfassen, die durch den energiereichen Messstrahl rasch zerstört werden. Bei Nanoteilchen bestimmt die Oberfläche die physikalischen und technischen Eigenschaften weit mehr als bei anderen Stoffen. Die Effizienz von Katalysatoren etwa hängt stark von der Form des verwendeten Materials und seiner Oberflächenbeschaffenheit ab.

Physiker und Materialforscher sind deshalb daran interessiert, den Aufbau von Nanomaterialien von allen Seiten und über mehrere Lagen hinweg atomgenau bestimmen zu können. Bisher wurden dafür ganze Untersuchungsreihen aus unterschiedlichen Perspektiven benötigt. Doch Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, des Ernst Ruska-Centrums für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) sowie der chinesischen Xian Jiaotong Universität haben es nun zum ersten Mal geschafft, die räumliche Anordnung der Atome ausgehend von einer einzigen elektronenmikroskopischen Aufnahme zu errechnen.

Ihre Methode bietet große Vorteile: Mit ihr können auch strahlungsempfindliche Proben untersucht werden, die durch den energiereichen Elektronenstrahl der Mikroskope rasch zerstört werden. Die vergleichsweise kurze Aufnahmedauer könnte es künftig sogar ermöglichen, kurzlebige Zwischenschritte chemischer Reaktionen zu beobachten. Darüber hinaus erlaubt es das „sanfte“ Messverfahren, nicht nur schwere, sondern auch leichte chemische Elemente nachzuweisen — etwa Sauerstoff, der in vielen technologisch bedeutsamen Materialien eine wichtige Funktion innehat.

„Dreidimensionale Informationen aus einer einzigen, zweidimensionalen Aufnahme zu gewinnen, scheint auf den ersten Blick unmöglich. Doch es ist möglich, weil wir keine simple zweidimensionale Projektion der dreidimensionalen Probe erhalten, sondern das Experiment quantenmechanischen Regeln folgt “, erläutert Prof. Chunlin Jia, der am Jülicher Peter Grünberg Institut, Bereich Mikrostrukturforschung (PGI-5), am ER-C wie auch an der Jiaotong Universität forscht. „Auf dem Weg durch das Kristallgitter fungiert die Elektronenwelle des Mikroskops als hochempfindlicher Detektor für Atome und wird von jedem einzelnen Atom beeinflusst. Entscheidend ist, dass es tatsächlich einen Unterschied macht, ob die Wellenfront zu Beginn oder am Ende ihres Wegs durch den Kristall auf ein Atom trifft.“

Für das neue 3D-Messverfahren wird die dünne kristalline Probe – in diesem Fall Magnesiumoxid – so im Mikroskop positioniert, dass die Atome an den Knotenpunkten des Kristallgitters genau übereinander liegen und Säulen entlang der Beobachtungsachse bilden. Diese Atomsäulen sind später nur als helle Punkte auf der mikroskopischen Aufnahme sichtbar. Ein spezieller Abbildungsmodus verbessert noch das Signal-Hintergrund-Verhältnis. So werden feine Unterschiede sichtbar, die den Forschern verraten, wo sich die einzelnen Atome in den Säulen entlang der Strahlrichtung befinden.

Für die Rekonstruktion der räumlichen Struktur vergleichen die Wissenschaftler die Aufnahme mit Berechnungen am Computer. Die Computersimulationen vermitteln einen Eindruck, wie eine mikroskopische Abbildung eines perfekten flachen Magnesiumkristalloxids aussehen würde. Anschließend passen sie den Modell-Kristall Schritt für Schritt an, bis die errechnete Abbildung mit der elektronenmikroskopischen Aufnahme optimal übereinstimmt.

Um die Eindeutigkeit der erhaltenen Ergebnisse zu belegen, haben die Wissenschaftler umfangreiche statistische Tests durchgeführt. Diese ergaben auch, dass die Methode nicht nur empfindlich genug ist, um jedes einzelne Atom nachzuweisen, sondern auch zwischen den beiden Elementen des Kristalls, Magnesium und Sauerstoff, unterscheiden kann.

Original-Veröffentlichung:
Determination of the 3D shape of a nanoscale crystal with atomic resolution from a single image;
C. L. Jia, S. B. Mi, J. Barthel, D. W. Wang, R. E. Dunin-Borkowski,
K. W. Urban, A. Thust;
Nature Materials Advance Online Publication (AOP) 21.9.2014, DOI: 10.1038/nmat4087

Weitere Informationen:
Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institut – Mikrostrukturforschung (PGI-5): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-5/DE/Home/home_node.html
Ernst Ruska-Centrum: http://www.er-c.org

Ansprechpartner:
Prof. Chunlin Jia, Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institut – Mikrostrukturforschung (PGI-5) und Ernst Ruska-Centrum
Tel. 02461 61-2408, E-Mail: c.jia@fz-juelich.de

Dr. Andreas Thust, Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institut – Mikrostrukturforschung (PGI-5) und Ernst Ruska-Centrum
Tel. 02461 61-6644, E-Mail: a.thust@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation, Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-4771, E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2014/14-09-21jia.ht…

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Annette Stettien Forschungszentrum Jülich

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