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Dies ist ein Text aus dem PSI-Medien-Archiv. Die Inhalte sind möglicherweise veraltet.
20. März 2015

Nanometer in 3-D

Medienmitteilungen Materie und Material Forschung mit Synchrotronlicht Mikro- und Nanotechnologie

Forschende des Paul Scherrer Instituts und der ETH Zürich haben 3-D-Bilder winziger Objekte erzeugt und konnten dabei sogar 25 Nanometer grosse Details (1 Nanometer = 1 Millionstel eines Millimeters) 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. (Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)
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. (Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)
Manuel Guizar-Sicairos, Strahllinienwissenschaftler an der SLS, und Claire Donnelly besprechen die Ergebnisse ihres Experiments. (Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)
Manuel Guizar-Sicairos, Strahllinienwissenschaftler an der SLS, und Claire Donnelly besprechen die Ergebnisse ihres Experiments. (Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)
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, d. h. dem Tausendstel eines Millimeters).
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, d. h. dem Tausendstel eines Millimeters).

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, sodass 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 Tausendsteln eines Millimeters 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. 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.

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


Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.

Kontakt
Dr. Manuel Guizar-Sicairos, Swiss Light Source
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz (Englisch, Spanisch)
Telefon: +41 56 310 3409, E-Mail: manuel.guizar-sicairos@psi.ch

Dr. Jörg Raabe, Swiss Light Source
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz (Deutsch, Englisch)
Telefon: +41 56 310 5193, E-Mail: joerg.raabe@psi.ch

Prof. Dr. Laura Heyderman
Labor für Mesoskopische Systeme, Department of Materials, ETH Zürich
Labor für Mikro- und Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut
5232 Villigen PSI, Schweiz (Deutsch, Englisch)
Telefon: +41 56 310 2613; E-Mail: laura.heyderman@psi.ch
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; Published: 20 March 2015

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