Hochauflösende Elektronen-Energieverlust-Mikroskopie basierend auf der Ionisation von kalten Atomen: Ein neues Werkzeug für die Oberflächen-Nanochemie

• Antragsteller: Professor Dr. Gerd Schönhense
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258967198

Das Ziel des HREELM Projekts (High Resolution Electron Energy Loss Microscope) ist es, eine neuartige höchst monochromatische Elektronenquelle vom Labor Aimé Cotton (LAC, Frankreich) mit einem elektronenkontrollierten chemischen Lithographieexperiment des Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay (ISMO, Frankreich) und mit einem innovativen hochauflösenden spektroskopischen Elektronenmikroskop, entwickelt an der Univ. Mainz, zu verbinden. Diese einzigartige Kombination erlaubt die Mikrofokussierung von monochromatischen (~1 meV), sehr niederenergetischen Elektronen (0-20 eV) für die nanoskalige Oberflächenstrukturierung und Diagnostik. Die Verbindung mit dem parallel abbildenden Mikroskop mit hoher räumlicher, energetischer, Impuls- und Zeitauflösung (20 nm, wenige meV, 0.003 Angstrom-1 und 150ps) wird einen neuen Weg zur hochauflösenden spektroskopischen Niederenergie-Elektronenmikroskopie und den Zugriff auf schnelle Schaltprozesse (CEA/IRAMIS/SPCSI, France) öffnen.Die monochromatische Elektronenquelle (meV-Level), nutzt fortgeschrittene Laserkühlungstechniken für neutrale Cs Atome, welche anschließend mit Lasern ionisiert werden und einen ultrakalten Elektronenstrahl erzeugen. In der Anfangsphase werden zwei Quellen getestet: Die erste mit dem Flugzeitmikroskop in Mainz zur Überprüfung der Monochromasie mit meV Auflösung, die zweite vom französischen Projektpartner ISMO um die Fokussiereigenschaften für die Nanostrukturierung bei niedrigen Elektronenenergien zu charakterisieren. Der Strukturierungsmechanismus nutzt dissoziatives Elektronenattachment, einen resonanten Prozess bei spezifischen niedrigen Energien, welcher selektiv Bindungsbrüche in molekularen Systemen erzeugt. Dieses Experiment wird einen Durchbruch im Bereich der Manipulation und Kontrolle von chemischen Reaktionen auf der Nanoskala darstellen.Der nächste Schritt besteht in Design und Aufbau eines spektroskopischen Vollfeld- Mikroskops mit Flugzeit-Energiedispersion und 3D(x,y,t)-auflösendem Bilddetektor (SPCSI/Mainz). Der ultrakalte Elektronenstrahls wird einen neuen Typ von Elektronenabbildung mit idealen Möglichkeiten für inelastische Vollfeldabbildung und für Echtzeitabbildung von dynamischen Prozessen etablieren. Das Kathodenlinsen-Gerät ist optimiert für beste Zeitauflösung (150 ps), Flugzeit-Energiefilterung (nominell sub-meV Auflösung) und hoher Auflösung im Real- und Impulsraum. Die Entwicklung zielt auf in-situ Diagnose von neuartigen Methoden der Nanostrukturierung durch hochauflösende parallelabbildende Elektronen-Energieverlustmikroskopie. Der Modus der Zeitauflösung kann für die Beobachtung von Prozessen in molekularen Strukturen und auf ferroelektrischen Proben genutzt werden.Insgesamt zielt das Projekt auf die Entwicklung und Charakterisierung einer Elektronenquelle mit höchster Monochromasie und Strahlqualität für die Nanostrukturierung bei niedrigsten Elektronenenergien, charakterisiert mittels Flugzeit-Elektronenmikroskopie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Beteiligte Personen: Dr. Nicholas Barett; Professor Daniel Comparat, Ph.D.; Professorin Dr. Anne Lafosse