Hochaufgelöste Phasenkontrast-Transmissionselektronenmikroskopie durch Kombination von physikalischen Phasenplatten mit Aberrationskorrektur und deren Anwendung auf Nanomaterialien

• Antragsteller: Dr. Simon Hettler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426844174

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) ist dank der Entwicklung von Aberrationskorrektoren die Methode der Wahl für räumlich hochaufgelöste Materialanalysen bis hin zur atomaren Ebene. Da Materialien aus leichten Elementen die Amplitude und Phase der Elektronenwelle meist nur schwach beeinflussen und für die HRTEM sehr dünn sein müssen, zeigen entsprechende Aufnahmen oft nur geringen Kontrast und sind darüber hinaus schwer zu interpretieren, da Phase und Amplitude in der Bildentstehung vermischt werden. Physikalische Phasenplatten (PPn) bieten eine Möglichkeit, den Beitrag von Phasenkontrast im Bild kontrolliert zu verstärken, wie es bereits in verschiedenen Anwendungen demonstriert wurde. Dazu wird in der hinteren Brennebene, in welcher gestreute und ungestreute Anteile der Elektronenwelle räumlich voneinander getrennt vorliegen, eine zusätzliche Phasenschiebung zwischen beiden Anteilen induziert. Das beantragte Projekt widmet sich der erstmaligen kombinierten Anwendung von Aberrationskorrektur und PP zur Verstärkung und zur Kontrolle des Phasenkontrastes in HRTEM-Aufnahmen und für deren verbessertes Verständnis. In Verbindung mit einem Aberrationskorrektor erlaubt eine PP unter idealen Bedingungen die Aufnahme von Bildern, zu denen entweder reiner Amplituden- oder Phasenkontrast beiträgt. Um diese Ziele zu erreichen, werden zwei verschiedene PPn-Typen hergestellt und in ein aberrationskorrigiertes Mikroskop eingebaut. Die elektrostatische Zach PP ist ein mikrostrukturiertes Bauteil, welches mittels einer isolierten, abgeschirmten und offenen Elektrode ein inhomogenes elektrostatisches Potential erzeugt. Durch Positionierung in der hinteren Brennebene und Anlegen einer entsprechenden Spannung kann die induzierte Phasenschiebung nach Bedarf eingestellt werden. Die sogenannte lochfreie PP besteht aus einem dünnen Film aus amorphem Kohlenstoff, bei welcher der intensive Nullstrahl in der hinteren Brennebene die nötige Phasenschiebung selbst generiert. Nach erfolgter Implementierung werden die kombinierten Abbildungseigenschaften analysiert und auf geeignete Proben angewendet. Kohlenstoffbasierte und verwandte Nanomaterialien eignen sich aufgrund ihrer kleinen Dimensionen besonders für die HRTEM, weisen aber häufig nur schwachen Kontrast auf. Durch die Kombination aus Aberrationskorrektur und PP soll deren Analyse verbessert werden und insbesondere zur Untersuchung hin auf bewusste Modifikationen oder Defekte angewandt werden. Für das beantragte Projekt ist unter anderem die Analyse von N-dotiertem Graphen, funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren oder die Defektbestimmung in inorganischen Übergangsmetall-Dichalcogeniden vorgesehen. Dabei steht nicht nur die Analyse von Punktdefekten mit höchster Auflösung im Vordergrund sondern gerade auch die Untersuchung der von solchen Defekten induzierten Veränderung des Wirtsmaterials, welches meist größere Abmessungen aufweist und deshalb besonders für die Analyse mit PPn geeignet ist.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Spanien
• Gastgeber: Dr. Raúl Arenal