Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

NANOWISSENSCHAFTENEinsichten in den NanokosmosAufgrund ihrer kurzen Wellenlänge eignet sich Röntgenstrahlungideal zur Untersuchung und Abbildung kleinsterStrukturen auf der Nanometerskala.Aus Experimenten an Einkristallen lassen sich Kristallmodelleerrechnen, welche die Bestimmung von Atompositionenmit Genauigkeiten von weniger als einem hundertstel Nanometererlauben. Durch die Bündelung der Strahlung mittels geeigneterRöntgenlinsen kann zudem auch die Kristallstrukturvon isolierten nanoskaligen Objekten vermessen werden. So lassensich kleinste strukturelle Veränderungen in Abhängigkeitder Größe oder der Oberflächeneigenschaften nachweisen. Darüberhinaus werden Röntgenlinsen zur direkten Abbildung eingesetzt.In den vergangenen 10 Jahren wurden an allen großenSynchrotronstrahlungsquellen entsprechende Röntgenmikroskopeentwickelt und in Betrieb genommen. Diese dienen nichtnur der reinen Bildgebung, sondern erlauben zudem, die Elementverteilungenoder den chemischen Zustand der untersuchtenSysteme auf der Nanometerskala zu ermitteln.Oberflächen können auf der Nanoskala unter Einsatz vonPhotoelektronenemissionsmikroskopen im weichen Röntgenbereichuntersucht werden. Die Vielzahl entsprechender Instrumentebei BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin im Vergleichzu anderen Strahlungsquellen weist auf eine gewisse Dominanzdeutscher Forschergruppen in diesem Bereich hin. Die Anwendungenzielen in vielen Fällen darauf, magnetische Mikro- undNanostrukturen und den zeitlichen Ablauf von Magnetisierungmit Nanosekundenauflösung zu untersuchen. Die derzeitigeNotwendigkeit von extremen Vakuumumgebungen und einerteilweise spezifischen Probenpräparation erschweren jedocheinen flexiblen Einsatz der Instrumente.Die meisten röntgenmikroskopischen Untersuchungen konzentrierensich auf den großen Bereich der Materialwissenschaften.Nanomaterialien, Nanopartikel, Nanoröhren undartifizielle Nanostrukturen gewinnen zunehmend in technologischenAnwendungen an Bedeutung, so dass der Bedarf anhochauflösenden Untersuchungsmethoden jenseits der konventionellenElektronen- oder Rastersondenmikroskopien stetigwächst. Beste Ortsauflösung erfordert hochbrillante Strahlungsquellenbei möglichst flexiblem Einsatz. Die derzeit verfügbarenInstrumente – insbesondere an der ESRF – sind starküberbucht, so dass dem steigenden Bedarf nur durch den Aufbauinnovativer Instrumentierung begegnet werden kann. Imharten Röntgenbereich können damit unterschiedlichste Probenumgebungenbei flexiblem Einsatz vom lebenden Insekt biszur Materie bei tiefen Temperaturen einfacher realisiert werden.Im weichen Röntgenbereich stehen unterschiedliche Detektionsmöglichkeitenebenso wie eine große Flexibilität bei denProben im Fokus.Der weiche Röntgenbereich ist für die 3D-Mikroskopiekleinster biologischer Objekte von großer Bedeutung. Dieses –die Elektronenmikroskopie ergänzende – Gebiet erlaubt dieAbbildung lebender Zellen in ihrer natürlichen Umgebung.Die Relevanz dieses Feldes wird nicht zuletzt durch die Einrichtungeines entsprechenden nationalen Forschungslabors an derAdvanced Light Source in Kalifornien unterstrichen. Doch auchin Deutschland besteht ein ideales Umfeld, um in diesem Bereicheine führende Rolle zu übernehmen. Dies erfordert jedochdie Errichtung einer entsprechenden Infrastruktur an den Strahlungsquellen.Zudem ist ein hohes methodisches Entwicklungspotentialgegeben. Insbesondere im Hinblick auf die derzeit verfügbarenOrtsauflösungen sind Verbesserungen wünschenswert. EntsprechendeInitiativen sollten gefördert werden – wie etwa beiden modernen linsenlosen Abbildungsverfahren.Röntgenlicht kann auch für Strukturierungsverfahren eingesetztwerden, bei denen mittels Belichtung Muster auf verschiedenstenMaterialien aufgebracht werden. Aufgrund seinerkurzen Wellenlänge bietet Röntgenlicht dabei gegenüber Lichtim sichtbaren Spektralbereich große Vorteile. Das sogenannteLIGA-Verfahren, das bei ANKA und BESSY II teilweise kommerzielleingesetzt wird, erlaubt die Herstellung kleinster Strukturenbeispielsweise für mikromechanische Bauteile. DieStrukturierung mit Hilfe von Röntgenlicht auf der Skala wenigerNanometer ist jedoch noch immer eine Herausforderung,in der großflächigen Fertigung periodischer Struktur steckt allerdingsnoch ausreichend Entwicklungspotential – selbst fürden kommerziellen Einsatz. Firmenausgründungen wie beispielsweiseam Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz unterstreichendie Vermarktungsmöglichkeiten. Sie erfordern allerdingseine ausreichende Verfügbarkeit entsprechender Quellenin Verbindung mit der notwendigen Infrastruktur wie etwaReinräumen.14 Synchrotronstrahlung 2009