"Elektronenbrille" gibt direkten Blick auf Sauerstoffatome

Scharfe Einsichten in Keramiken und Supraleiter

Forscher am Forschungszentrum Jülich haben mit einem Elektronenmikroskop erstmals einzelne Sauerstoffatome in einer bestimmten Klasse von Materialien, den so genannte Perowskiten, direkt sichtbar gemacht. Sie entwickelten eine Technik, um die im Mikroskop unvermeidlichen Abbildungsfehler zu korrigieren. In herkömmlichen Geräte führen diese Fehler zwangsläufig zu verschwommenen Bildern – einzelne Sauerstoffatome sind nicht mehr erkennbar. Die Ergebnisse der Wissenschaftler sind in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Keramische Materialien auf der Basis von Oxiden mit Perowskitstruktur spielen eine große Rolle in der modernen Elektronik. Anwendungsfelder sind z.B. Chips in Telefon- oder Geldkarten. Perowskite sind auch das Basismaterial für Hochtemperatursupraleiter und werden zukünftig zunehmend in der Mikroelektronik benötigt. Dort werden sie in dünnsten Schichten von nur einigen zehn bis einigen 100 Atomlagen eingesetzt. Eines der wichtigsten Probleme auf dem Weg dorthin ist die korrekte Einstellung des Sauerstoffgehaltes dieser Oxide, der dann über die große Zahl von Prozessschritten bei der Bauelementherstellung beibehalten werden muss. „Der Sauerstoffgehalt bestimmt kritisch die elektrischen Eigenschaften der perowskitischen Oxide“, erklärt Knut Urban vom Jülicher Institut für Festkörperforschung. Bereits das Fehlen weniger Sauerstoffatome in den elektrisch aktiven Zonen der dünnen Schichte beeinträchtige ernsthaft deren Funktion. Seit Ende der 80-er Jahre bemühen sich daher Forscher, die Sauerstoffatome im Mikroskop direkt sichtbar zu machen, bislang ohne Erfolg.

Der Durchbruch gelang der Gruppe um Urban mit einem bis dato weltweit einzigen so genannten „aberrationskorrigierten“ Transmissionselektronenmikroskop. Die „sphärischen Aberration“ bezeichnet das Problem, dass Licht- bzw. Elektronenstrahlen, die die Linse des Mikroskops nahe dem Rand passieren, so stark abgelenkt werden, dass das Bild verschwimmt. Die Jülicher Forscher umgingen das Problem mit speziell geformten magnetischen Linsen. Sie verordneten dem Elektronenmikroskop bildlich gesprochen eine Brille und schärften so dessen Blick. Erstmals kann Sauerstoff nicht nur atomar abgebildet, sondern sogar dessen Gehalt in atomaren Dimensionen quantitativ gemessen werden. Im Laufe dieses Jahres sollen bereits die ersten kommerziellen aberrationskorrigierten Elektronenmikroskope ausgeliefert werden.