Elektronenmikroskopie und Analytik

Die Forschungsgruppe Elektronenmikroskopie und Analytik (EMA) betreibt das Elektronenmikroskopie-Labor von caesar. Wir beschäftigen uns mit hochauflösender und analytischer Elektronenmikroskopie im Bereich der Strukturaufklärung, Spektroskopie und Nanostrukturierung. Es werden sowohl biomedizinische als auch materialwissenschaftliche Fragestellungen erforscht.  

Aufklärung subzellulärer Strukturen mittels Elektronentomographie

Um die Abläufe in einer Zelle besser verstehen zu können, ist es wichtig, den Aufbau subzellulärer Strukturen und ihre Lokalisation in der Zelle zu kennen.
 

Abbildung 1 zeigt verschiedene Methoden, mit denen zelluläre und subzelluläre Strukturen aufgeklärt werden können. Mit Hilfe der einfachen Lichtmikroskopie lässt sich eine Auflösung von ca. 200 nm erreichen. Das genügt nicht, um den Aufbau der meisten Zellorganellen zu untersuchen. Am unteren Ende der Längenskala dient die Röntgenstrukturanalyse dazu, die Struktur von Protein-Einkristallen aufzuklären (derzeitige Auflösungsgrenze ca. 0.2 nm). In einem ähnlichen Größenbereich lassen sich mit Hilfe der single-particle-Analyse Strukturen von Makromolekülen untersuchen. Die Lücke zwischen ca. 4 und 200 nm wird durch die Elektronentomographie abgedeckt. Single-particle-Analyse und Elektronentomographie stellen besondere Aufnahme- und Rekonstruktionsmethoden der Transmissions-Elektronenmikroskopie dar. Die Elektronentomographie ist darüber hinaus die einzige Methode, mit der sich subzelluläre Strukturen in der intakten Zelle untersuchen lassen. Ein weiterer Vorteil der Elektronentomographie gegenüber der konventionellen Transmissionsmikroskopie liegt darin, dass etwa dreimal dickere Probenschnitte untersucht werden können.

Wir beschäftigen uns mit der Aufklärung von subzellulären Strukturen, z.B. dem Flagellum menschlicher Spermien, mit Hilfe der Elektronentomographie. Derzeit wird ein Elektronentomographiesystem aufgebaut, mit dem man sowohl in Kunststoff eingebettete als auch gefrorene Proben (Kryo-Tomographie) untersuchen kann. 

Verbesserung der Handhabung korrigierter Elektronenmikroskope im Routinebetrieb

Mit modernen Transmissions-Elektronenmikroskopen lassen sich im Routinebetrieb Strukturen bis etwa 0.2 nm auflösen. Abbildungsfehler der Linsen des Elektronenmikroskops begrenzen die theoretisch erreichbare Auflösung. Einer dieser Fehler ist der Öffnungsfehler. Um ihn zu eliminieren, werden seit einigen Jahren Korrektoren verwendet, die die räumliche Auflösung auf bis zu 0.05 nm verbessern. Ihre Bedienung ist allerdings zeitaufwändig und kompliziert. So werden z.B. spezielle Proben benötigt, um den Korrektor richtig einzustellen. Abbildung 3 zeigt die Darstellung eines sog. Zemlin Tilt Tableaus, das zur computerunterstützten Justage des Korrektors gemessen wird. Anhand der unter verschiedenen Kippwinkeln aufgenommenen Bilder kann die Software die Linsenströme für die elektronenoptischen Elemente des Korrektors berechnen.

Wir untersuchen an einem korrigierten Raster-Transmissionselektronenmikroskop, wie sich die Nutzung des Geräts im Routinebetrieb verbessern lässt. Dabei versuchen wir, einen Kompromiss zwischen erreichbarer Auflösung und dem dafür nötigen Korrekturaufwand zu finden. Die Korrekturproben und die Korrekturprozedur werden optimiert und Studien zur Stabilität des Mikroskops durchgeführt. 

Nanostrukturierung mittels Focused-Ion-Beam-Technologie

Durch Fortschritte bei der Entwicklung neuer Röntgenquellen (z.B. Freie-Elektronen-Laser, Plasmaquellen, Röntgenlaser) gewinnen optische Komponenten zur Fokussierung und Abbildung von Röntgenstrahlung zunehmend an Bedeutung. Um das Potenzial dieser hochbrillanten Röntgenquellen optimal auszuschöpfen, wird es immer wichtiger, die Optik an das jeweilige Experiment anzupassen. Mit fokussierten Ionenstrahlen lassen sich Materialien in Focused-Ion-Beam (FIB)-Mikroskopen mit hoher Präzision und in kurzen Prozesszeiten bearbeiten. Wir nutzen die FIB-Technologie, um Beugungsoptiken für Anwendungen in der Röntgenoptik (Wellenlängen von Λ = 2 bis 20 nm) herzustellen. Dabei können durch den Impuls der auftreffenden Ga-Ionen selektiv Atome aus der Oberfläche herausgeschlagen und Strukturen somit direkt erzeugt werden.

Im Gegensatz zum klassischen Herstellungsverfahren über Elektronenstrahllithographie sind keine Prozesse notwendig, um die belichteten Strukturen anschließend in das Material zu übertragen.

Die Nanostrukturierung mittels FIB (Beispiel Abbildung 4) stellt insbesondere durch ihre große Anpassungsfähigkeit eine Alternative zu herkömmlichen Herstellungsverfahren dar. So ist es möglich, Materialien unabhängig von ihrer elektrischen Leitfähigkeit zu strukturieren. Die größere Auswahl an Materialien ist gerade im Bereich der Röntgenoptik von Vorteil, da Materialeigenschaften wie Absorption und Phasenschiebung großen Einfluss auf die Effizienz der Optiken haben. Auch die Möglichkeiten, in modernen FIB-Zweistrahl-Geräten (Elektronen- und Ionenstrahl) Materialien nicht nur abzutragen, sondern selektiv abzuscheiden, wurde bis jetzt für röntgenoptische Anwendungen nicht ausgenutzt. Über ein Injektions-System wird ein Prozessgas in das FIB-Mikroskop eingeleitet und reagiert mit dem Elektronen- bzw. Ionenstrahl. Als Folge wird Material an der Probenoberfläche abgeschieden. Durch diese und andere Vorteile ergeben sich neue, bisher nicht genutzte Möglichkeiten bei der Strukturierierung von Oberflächen für röntgenoptische Anwendungen, wie z.B. der Röntgenspektroskopie, -mikroskopie oder -interferometrie.

Service

Wir stellen unser Know-How und unsere Instrumente auch externen Anwendern aus Forschung und Industrie zur Verfügung. Wir helfen den Nutzern bei der Auswahl einer geeigneten Messmethode, der Probenpräparation und der Auswertung der Messdaten. Erfahrene Nutzer können an den Geräten auch eigenständig arbeiten. Weitere Informationen zur Nutzung und die jeweiligen Ansprechpartner finden Sie auf unserer Service-Seite.