Erhöhung von Auflösungsvermögen und Präzision der linsenbasierten Abbildung im Transmissions-elektronenmikroskop durch rasternde Beleuchtung

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Rosenauer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392948259

In der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) werden hauptsächlich zwei Abbildungsmodi unterschieden: Die konventionelle Abbildung (CTEM), bei der eine kohärente ebene Elektronenwelle zur Beleuchtung benutzt wird, sowie die rasternde TEM (STEM), bei welcher der Elektronenstrahl über die Probe gerastert wird und gestreute Elektronen mit einem Detektor aufgesammelt werden. Der Vorteil der CTEM liegt in der direkten Abbildung, die nicht wie in STEM von Fehlern der Strahlpositionierung abhängt. Demgegenüber sind STEM-Abbildungen leichter interpretierbar und bieten im Prinzip ein höheres Auflösungsvermögen, da es sich um eine inkohärente Abbildung handelt. In einer in Phys. Rev. Lett. veröffentlichten Arbeit konnten wir in Simulation und Experiment zeigen, dass ein neuer Abbildungsmodus (ISTEM), bei dem in CTEM eine rasternde Beleuchtung benutzt wird, die Vorteile von CTEM und STEM vereint: Die Abbildungen bieten gegenüber CTEM ein höheres Auflösungsvermögen, ergeben leichter interpretierbare Kontrastmuster und weisen keinen Einfluss ungenauer Strahlpositionierung auf. Dennoch steht den Vorteilen der ISTEM-Abbildung im Vergleich zu den etablierten Abbildungsmodi der Nachteil einer zurzeit noch schwierigeren Realisierbarkeit gegenüber.Als erstes Ziel soll die Anwendbarkeit von ISTEM durch Erstellen von Skripten für die Steuerung und Justierung des TEM sowie Reduktion von Kontamination verbessert werden. Die bisher nur durch Simulationen gezeigten weiteren Vorteile der ISTEM-Abbildung wie die höhere Präzision der Positionsbestimmung sowie die hervorragenden Möglichkeiten zur gleichzeitigen Abbildung leichter und schwerer Atome sollen experimentell überprüft werden. In einer Veröffentlichung der australischen Arbeitsgruppe um Prof. L. Allen wurde vorgeschlagen, ISTEM zur Artefaktreduktion bei der Elementanalyse durch energiegefilterte Abbildung zu verwenden. Auch dies soll experimentell in Kooperation mit dem ER-C Jülich untersucht werden.Die Vorteile der ISTEM-Abbildung sollen anhand technologisch relevanter Materialsysteme mit hochaktuellen Fragestellungen demonstriert werden. So soll die erhöhte Präzision der Positionsbestimmung ausgenutzt werden zur Messung von Polarisationsdomänen in wenigen Nanometer dicken, zwischen Tunnelkontakten aufgebrachten ferroelektrischen Barriereschichten, die eine Anwendung als Datenspeicher versprechen. Dabei soll insbesondere das Schaltverhalten dieser Schichten durch in-situ angelegte elektrische Felder untersucht werden. Darüber hinaus sollen die Möglichkeiten von ISTEM zur Abbildung leichter Atome genutzt werden, um die Verkippung von Sauerstoff-Oktaedern an Grenzflächen von Perovskiten zu untersuchen. Weitere Anwendungen bilden die Messung spontaner Netzebenenverbiegungen in Te-Nandrähten, welche als Sensoren für NO2 eingesetzt werden können, sowie die Untersuchung der Gitterverzerrung von oberflächennahen Atomen in nanoporösem Gold, welche die katalytische Aktivität dieses Materialsystems beeinflusst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen