Phasentomografie

Nanometer in 3-D

Forschende des Paul Scherrer Instituts und der ETH Zürich haben 3-D-Bilder winziger Objekte erzeugt und konnten dabei sogar 25 nm große Details sichtbar machen. Dabei haben sie nicht nur die Form der Untersuchungsgegenstände bestimmen können, sondern auch gezeigt, wie ein bestimmtes chemisches Element (Kobalt) darin verteilt ist und ob es in einer chemischen Verbindung oder in Reinform vorliegt.

Claire Donnelly, Doktorandin am Labor für Mesoskopische Systeme, bereitet ein Tomografie-Experiment vor. Die Proben, die untersucht werden sollen, befinden sich auf den Spitzen der Kupferstifte, sind aber zu klein, als dass man sie auf dem Bild sehen könnte. (Bild: Paul Scherrer Institut / Markus Fischer)

Die Untersuchungen wurden an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts mit dem Verfahren der Phasentomografie durchgeführt. Wie bei anderen tomografischen Verfahren wird auch hier das untersuchte Objekt von verschiedenen Seiten mit Röntgenlicht durchleuchtet, so dass man Abbildungen aus verschiedenen Perspektiven erhält. Diese Abbildungen werden mithilfe eines Computerprogramms zu einem 3-D-Bild zusammengefügt.

Die Forschenden haben die Methode an einem Objekt vorgeführt, das die Form eines Fußballs (in Englisch als „buckyball“ bezeichnet) mit einem Durchmesser von nur 6 µm hatte. Da die Forschenden in verschiedenen Messungen Licht mit unterschiedlicher Energie („Farbe“) verwendet haben, konnten sie bestimmen, wie Kobaltatome in dem Objekt verteilt waren und zusätzliche Informationen über die Umgebung der Atome gewinnen.

Manuel Guizar-Sicairos, Strahllinienwissenschaftler an der SLS, und Claire Donnelly besprechen die Ergebnisse ihres Experiments. (Bild: Paul Scherrer Institut / Markus Fischer)

Dabei nutzten sie aus, dass die Art, wie verschiedene chemische Elemente mit Röntgenlicht wechselwirken, von der Energie des Lichts abhängt. So wird es möglich, die Verteilung chemischer Elemente zu sehen, wenn man Bilder vergleicht, die mit Licht unterschiedlicher Energie aufgenommen wurden.

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Verschiedene Elemente und ihre Verbindungen in Größenbereichen von Nanometern in drei Dimensionen sichtbar machen zu können, ist von großer Bedeutung für unterschiedliche Entwicklungen in der Industrie – etwa für neue elektronische und magnetische Bauteile oder effiziente Katalysatoren für die chemische Industrie.

Text:
Paul Scherrer Institut / Paul Piwnicki

3-D-Bild der untersuchten Fußballstruktur. Im rechten Bild ist die Verteilung von Kobalt in Orange dargestellt (die Linie entspricht einer Länge von einem Mikrometer.

Originalveröffentlichung:
Element-Specific X-Ray Phase Tomography of 3D Structures at the Nanoscale: Claire Donnelly, Manuel Guizar-Sicairos, Valerio Scagnoli, Mirko Holler, Thomas Huthwelker, Andreas Menzel, Ismo Vartiainen, Elisabeth Müller, Eugenie Kirk, Sebastian Gliga, Jörg Raabe, and Laura J. Heyderman. Phys. Rev. Lett. 114, 115501 (2015); DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.115501 (Link: dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.115501); Published: 20 March 2015.

Kontakt:
Claire Donnelly
Labor für Mesoskopische Systeme; Paul Scherrer Institut; ODGA/C112
5232 Villigen PSI, Schweiz (Englisch)
E-Mail: claire.donnelly@psi.ch

Prof. Dr. Laura Heyderman
Paul Scherrer Institut
5232 Villigen PSI; Schweiz (Deutsch, Englisch)
E-Mail: laura.heyderman@psi.ch

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