Den Atomen auf der Spur

Der Campus Süd des KIT ist die erste universitäre Einrichtung Deutschlands, die mit einem FEI Titan3 80-300 „Cubed“ forscht. Lediglich das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden hat ebenfalls ein Gerät dieser Art. Weltweit gibt es nur etwa 10 Geräte.

Das Transmissionselektronenmikroskop ist mit seinen sechs Tonnen ein Schwergewicht. „Mit seinem Auflösungsvermögen von 0,08 nm (1 nm entspricht 0,000000001 m) lassen sich einzelne Atome abbilden und sogar deren Bewegung auf Oberflächen verfolgen“, freut sich Professorin Dagmar Gerthsen, Leiterin des Laboratoriums für Elektronenmikroskopie am KIT.

Die Wissenschaftler des KIT werden das neue Mikroskop zur Strukturaufklärung in vielen Bereichen einsetzen, beispielsweise in der Materialforschung, Nanotechnologie, Festkörperphysik, Chemie und sogar in der Biologie. Bis zu 30 Institute können von dem neuen Mikroskop profitieren. „Einmalig in der Transmissionselektronenmikroskopie ist die Möglichkeit, neben der Struktur auch die chemische Zusammensetzung und sogar elektronische Eigenschaften von winzig kleinen Probenbereichen zu analysieren“, so Gerthsen. Ein Beispiel dafür seien Quantenpunkte aus Halbleitern, die in effizienten Halbleiterlasern zum Einsatz kämen. Die chemische Zusammensetzung der Quantenpunkte, die sich auf atomarer Skala von Atomebene zu Atomebene ändern kann, lässt sich bei der Herstellung nicht genau kontrollieren. Daher ist es notwendig, diese am Objekt zu analysieren.

In der Materialforschung gilt das Interesse beispielsweise der Anreicherung von Verunreinigungsatomen in Korngrenzen – dies sind die Flächen zwischen den unterschiedlich orientierten Körnern des Materials. Verunreinigungsatome können sich nachteilig auf die Festigkeit von Materialien auswirken, was bis hin zum Bauteilversagen gehen kann. KIT-Wissenschaftler können mithilfe des neuen Mikroskops diese Verunreinigungen abbilden und gleichzeitig chemisch analysieren.

Mit dem Mikroskop ist es auch möglich, Ursachen für die Abnahme der Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen zu untersuchen. Hier stehen die chemischen Reaktionen zwischen Elektroden und Fest-elektrolytmaterial sowie die Entmischungsvorgänge im Elektrolytmaterial selbst im Mittelpunkt, die zu Variationen der chemischen Zusammensetzung auf der Skala von nur wenigen Nanometer führen können.

Ein weiteres Einsatzgebiet der neuen Anschaffung ist die Analyse der Struktur und chemischen Zusammensetzung von neuartigen funktionellen Nanoteilchen und molekularen Strukturen, die beispielsweise künftig in der Medizin als Container für Medikamente oder als elektronische Bauelemente ihre Anwendung finden.

Die Möglichkeit der Holographie im Transmissionselektronenmikroskop erlaubt es zudem, elektrische Felder um Defekte in Halbleitern, die die Beweglichkeit von Ladungsträgern in Halbleiterbauelementen reduzieren, auf einer Nanometerskala abzubilden. Gegenwärtig justieren Techniker noch das neue Mikroskop. „Ab Februar werden wir es voll nutzen können“, betont Dagmar Gerthsen.

Im Karlsruher Institut für Technologie (KIT) schließen sich das Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft und die Universität Karlsruhe zusammen. Damit wird eine Einrichtung international herausragender Forschung und Lehre in den Natur- und Ingenieurwissenschaften aufgebaut. Im KIT arbeiten insgesamt 8000 Beschäftigte mit einem jährlichen Budget von 700 Millionen Euro. Das KIT baut auf das Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.

Die Karlsruher Einrichtung ist ein führendes europäisches Energieforschungszentrum und spielt in den Nanowissenschaften eine weltweit sichtbare Rolle. KIT setzt neue Maßstäbe in der Lehre und Nachwuchsförderung und zieht Spitzenwissenschaftler aus aller Welt an. Zudem ist das KIT ein führender Innovationspartner für die Wirtschaft.