PSI: Aufbau von Materialien nanogenau untersuchen

«Die zwei Methoden, die in dem neuen Mikroskop NanoXAS kombiniert werden, sind die Röntgenabsorptionsanalyse (XAS) und die Rastersondenmikroskopie», erklärte Jörg Raabe, Projektleiter für den Aufbau des Geräts. «Mit der XAS kann man bestimmen, welche chemischen Elemente in einem Material enthalten sind – bei den besten Geräten sogar für Bereiche, die nur einige zehn Nanometer gross sind. Mit der Rastersondenmikroskopie, bei der man eine Oberfläche mit einer feinen Spitze abtastet, kann man im besten Fall die genaue Position von jedem einzelnen Atom bestimmen.» Die Kombination der beiden Methoden erlaubt es nun erstmals, gleichzeitig zu bestimmen, wo sich Atome befinden und zu welchen chemischen Elementen sie gehören. So bekommt man ein Abbild der Struktur mit atomarer Genauigkeit.

Kleinere, leistungsfähigere Geräte

Das NanoXAS ermöglicht es, eine beinahe nanometergenaue «chemische Landkarte» eines Materials zu erstellen. Die Anlage erlaubt beispielsweise, in magnetischen Speichermaterialien oder Halbleitern im Detail zu beobachten, wie technisch relevante Materialeigenschaften zustande kommen. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, solche Materialien für zukünftige Anwendungen gezielt zu verbessern und so zu helfen, leistungsfähigere elektronische Geräte zu bauen wie PC, Digitalkameras, MP3-Spieler oder andere Geräte, die viel Datenspeicherplatz benötigen, so das PSI an der Einweihungsfeier. Das NanoXAS kombiniert zwei Techniken: Die eine kann die Lage einzelner Atome bestimmen und die andere zeigt, welche chemischen Elemente im untersuchten Bereich vorhanden sind.

Licht mit besonderen Eigenschaften

Das NanoXAS nutzt für die Röntgenabsorptionsanalyse Röntgenlicht aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) des Paul Scherrer Instituts. Das Röntgenlicht der SLS ist demjenigen, das in gewöhnlichen Röntgenquellen erzeugt wird, in vielerlei Hinsicht überlegen. Es ist deutlich intensiver und besser gebündelt und kann ausserdem auf verschiedene Weise an die Bedürfnisse des einzelnen Experiments angepasst werden: Erst die einstellbare Energie («Farbe») des Lichts macht es möglich, die in einer Probe enthaltenen chemischen Elemente zu bestimmen. Die veränderbare Polarisation ermöglicht es, verschiedene magnetische Zustände im Material zu unterscheiden.

Internationale Kooperation

Das NanoXAS ist in einer Kooperation zwischen mehreren Institutionen in Deutschland und der Schweiz entstanden. Am Aufbau des eigentlichen Messplatzes sind neben dem PSI die Eidgenössische Materialprüfungsanstalt (Empa) und die Universität Basel beteiligt. Die Strahllinie, die das Röntgenlicht zum Messplatz leitet und für das Experiment aufbereitet, ist in Zusammenarbeit mit der Universität Erlangen/Nürnberg und der Freien Universität Berlin aufgebaut worden. Die Gesamtkosten des Projekts haben CHF 2,1 Mio. betragen, wovon das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung CHF 700’000 übernommen hat. Finanziell unterstützt hat das Projekt auch das Competence Centre for Materials Science and Technology (CCMX) des ETH-Rats.