In der Polymerchemie gibt es eine sehr junge Werkstoffgruppe mit großem Anwendungspotenzial: organische 2D-Polymere. Ob in der Optik, der Elektronik oder Batteriechemie und Katalyse, der Physik oder Biologie – die Einsatzgebiete für diese besonderen Materialien sind vielfältig. Sie lassen sich anwendungsoptimiert funktionalisieren und formieren, sei es für den Einsatz als Schaltelement, als Lichtsammler oder als Biomembran. Die Komposition, Funktionalisierung und Stapelung von organischen 2D-Polymerschichten ist allerdings nicht einfach zu kontrollieren und muss daher bis ins kleinste Detail überprüft werden.

„Organische 2D-Polymere sind sozusagen die ,jungen Wilden‘ unter den Polymeren. Sie machen ein bisschen, was sie wollen, und reagieren sehr empfindlich darauf, wenn man ihnen analytisch auf die Pelle rückt“, so Prof. Dr. Ute Kaiser, Leiterin der Arbeitsgruppe Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie an der Universität Ulm. Aufgrund unterschiedlicher Bindungsarten und -eigenschaften gestalten sich die molekularen Interaktionen organischer 2D-Polymere viel komplexer und störempfindlicher. Bislang war es kaum möglich, solche Materialien elektronenmikroskopisch mit ausreichender Auflösung auf atomarer Ebene zu charakterisieren. „Das Problem besteht darin, dass die abbildenden Elektronen mit den Atomen der Polymerschicht in Wechselwirkung treten und diese beschädigen oder sogar vollständig zerstören können“, erklärt die Physikerin.

Einem Forschungsteam aus Kaisers Arbeitsgruppe ist es in Zusammenarbeit mit Forschenden aus Dresden, Halle und Leipzig sowie aus Guangzhou und Jinan (beides China) gelungen, 2D-Polymere in nahezu atomarer Auflösung an einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) zu untersuchen, ohne das 2D-Material zu beschädigen oder in der Zusammensetzung zu verändern. Zum Einsatz kam dabei das Mikroskop Titan (Bild 1) von der Universität Ulm, ein hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop mit Korrektur für die sphärische Aberration. Für ihre materialwissenschaftlichen Untersuchungen haben die Forschenden die Beschleunigungsspannung und Anzahl der Elektronen systematisch variiert, um herauszufinden, unter welchen Bedingungen sich maximale Bildqualität bei minimalen Elektronenstrahlenschäden realisieren lässt.

Üblicherweise werden für die transmissionselektronenmikroskopische Abbildung organischer Materialien Elektronenstrahlen mit höherer Energie (300 keV) verwendet. Die Ulmer Physikerinnen und Physiker haben für ihre Studie einen Niederspannungsansatz verfolgt, kombiniert mit einer Niedrigdosistechnik. „Wir haben die Energie der Elektronen systematisch von 300 keV bis auf 80 keV reduziert und dabei herausgefunden, dass 120 keV – bei gleichzeitiger Reduktion der Elektronenanzahl – die höchstmögliche Auflösung in der Abbildung bringt“, erklärt Dr. Haoyuan Qi, Gruppenleiter in der Ulmer Arbeitsgruppe „Material- wissenschaftliche Elektronenmikroskopie“. Der Wissenschaftler leitet dort das Forschungsteam für organische 2D-Materialien und hat gemeinsam mit Professorin Kaiser die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie koordiniert.