Innovative Elektronenmikroskopie

Eine nanometergenaue Materialcharakterisierung ist unabdingbar für die Weiterentwicklung der modernen Nanotechnologie, der Energiewissenschaft und der Biologie. Der Programmbereich Innovative Elektronenmikroskopie (IEM) betreibt interdisziplinäre Forschung an der Schnittstelle von Bio-Nanotechnologie, Materialwissenschaft, Zellbiologie, Physik der Elektronenmikroskopie (EM) und Bildverarbeitung. Zur dreidimensionalen (3D) Atomstrukturanalyse und zur chemischen Materialanalyse sowie für die Untersuchung von biologischen Systemen und funktionellen Materialien unter Atmosphärenbedingungen stehen dem Programmbereich ein hochmodernes TEM (Transmissionselekronenmikroskop) und Raster- (= Scanning) TEM (STEM) zur Verfügung. Für INM-Kollegen ermöglichen wir die Analyse nanoskaliger Materialien mittels TEM, STEM, Rasterelektronenmikroskop (REM) und Röntgendiffraktometer. Vielfältige Forschungskooperationen existieren mit Universitäten und Industrie. Studenten und Anwender werden in unserem Programmbereich von hochqualifizierten Mitarbeitern in die Arbeit an modernen Elektronenmikroskopen eingewiesen.

Chemische und strukturelle 3D-Materialanalyse auf atomarer Ebene

Aberrationskorrigiertes STEM

JEOL ARM200F am INM

JEOL ARM200F am INM

Seit Neuestem ergänzt ein hochmodernes aberrationskorrigiertes STEM/TEM vom Typ ARM200 (JEOL) mit kombiniertem Energiefilter und einem Energieverlustanalysator (Gatan) die Ausstattung des INM. Dieses Mikroskop besitzt eine neu entwickelte kalte Feldemissionsquelle (Cold field emission source – CFEG) mit geringer Energieverteilung. Das Mikroskop, das mit einer Stromstärke von 200 pA und einer Energieverteilung von 0,3 eV einen Elektronenstrahl auf 0,08 nm fokussieren kann, wird am INM und auch an der Universität des Saarlandes in drei Forschungsbereichen eingesetzt.

Abbildung in atomarer Auflösung und Elementaranalyse in der Materialwissenschaft

Neue Projekte werden entwickelt in den Bereichen funktionelle Nanomaterialien, Materialien für den Energiesektor, z. B. Solarzellen oder Festkörperlichtquellen (Solid State Lighting – SSL), und katalytische Materialien. Die Eigenschaften funktioneller Materialien sind eng verbunden mit ihrer atomaren Struktur, insbesondere mit der Verschiebung von Atomen innerhalb der Festkörperstruktur sowie an den Schnittstellen. Mittels Elektronenspektroskopie (EELS – Electron Energy-Loss Spectroscopy) und Z-Kontrast ermöglicht das aberrationskorrigierte STEM Elementaranalyse in atomarer Auflösung, so dass Dislokationen von Einzelatomen innerhalb des Atomgitters untersucht werden können.

3D-STEM

Wir entwickeln eine neuartige Methode zum Erhalt von 3D-Daten mittels aberrationskorrigiertem STEM. Die bisher übliche Methode, 3D-Datensätze im nanoskaligen Bereich zu generieren, ist das Kippen der Proben im TEM (Tomografie). Eine 3D-Volumendarstellung wird dabei mittels Bildern aus verschiedenen Projektionen erstellt, die durch mechanisches Kippen des Probentisches entstehen. Ein neuer Ansatz ergibt sich durch die Verwendung des aberrationskorrigierten STEM, das hochauflösende 3D-Bilder ganz ohne Tomografie erzeugt. Ähnlich wie beim konfokalen Lichtmikroskop wird die Probe Schicht für Schicht gescannt, indem der Fokus der Objektivlinse verändert wird, wodurch eine Serie von Bildern mit schrittweise variiertem Fokus aufgezeichnet wird. Aufgrund der stark reduzierten Tiefenschärfe im aberrationskorrigierten STEM ermöglicht diese Technik eine hohe axiale (vertikale) Auflösung.
3D-STEM wird sowohl in der Materialwissenschaft als auch in der Biologie verstärkt Verwendung finden. Die Zielsetzung in der Biologie besteht darin, 3D-Daten ganzer Zellen zu erhalten. Dabei kann das STEM Nanopartikel, die z. B. als spezielle Proteinmarker verwendet werden, kontrastreich darstellen. In der Materialwissenschaft beispielsweise erwartet man Vorteile im Bereich der 3D-Abbildung von Nanopartikeln in der Polymermatrix. 3D-STEM kann mit EELS und Z-Kontrast kombiniert werden, um so die dreidimensionale atomare Zusammensetzung von Materialien zu charakterisieren, z. B. zur Lokalisierung von Defekten in Halbleitern. 3D-STEM ist eine Weitfeldmikroskopietechnik, bei der jede Scheibe eines 3D-Datensatzes sowohl die in-focus- als auch die ex-focus-Informationen enthält. Derzeit werden Entfaltungsprozeduren entwickelt, mit deren Hilfe 3D-Modelle mittels Berechnung der Punktspreizfunktion (PSF) rekonstruiert werden.
Darüber hinaus arbeiten wir auch mit der konventionellen STEM-Tomografie.

Untersuchung biologischer Systeme und funktioneller Materialien unter realen Bedingungen

Wir haben kürzlich eine neuartige Methode zur Darstellung vollständiger eukaryotischer Zellen in Flüssigkeit entwickelt, bei der sogenannte Flüssigprobenkammern im STEM („liquid STEM“) zum Einsatz kommen. Eukaryotische Zellen in Flüssigkeit werden in eine Probenkammer eingebracht, die bis zu 10 µm dick ist und sich zwischen zwei ultradünnen elektronentransparenten Fenstern befindet. Diese Probenkammer wird dann in das Vakuumrohr des Elektronenmikroskops eingebracht und die Probe wird mittels STEM abgebildet. Aufgrund des ordnungszahlabhängigen Z-Kontrasts des STEM können Nanopartikel höherer Ordnungszahl, wie z. B. Gold, im von einer Flüssigkeit mit niedrigem Z-Wert, z. B. Wasser, ausgehenden Hintergrundsignal entdeckt werden. Speziell an Nanopartikeln anhaftende Proteine können dann genutzt werden, die Proteinverteilung in der Zelle in Flüssigkeit zu untersuchen – ähnlich wie mit Fluoreszenzmarkierungen versehene Proteine dazu verwendet werden können, die Proteinverteilung mittels Fluoreszenzmikroskopie zu bestimmen – allerdings mit einer weit besseren räumlichen Auflösung.
Die Mikrochips und Flüssigprobenhalter für Liquid STEM werden von Protochips In., NC, USA zur Verfügung gestellt.


Schema eines Liquid STEM Prinzips
PNAS 106 (2009) 2159-2164

Unser nächstes Ziel wird es sein, biologische Prozesse zu untersuchen, indem wir „liquid STEM“ mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie kombinieren. Mit dieser neuartigen Mikroskopiermethode können möglicherweise neue Phänomene entdeckt werden, die mit den aktuellen Methoden nicht sichtbar gemacht werden. Mit dem mikrofluidischen System, das für das „liquid STEM“ entwickelt wurde, sollen auch Nanomaterialien in Flüssigkeit untersucht werden. Welche Auflösung erreicht wird, hängt zum einen davon ab, wie stark sich die Ordnungszahlen der zu untersuchenden Materialien von der Ordnungszahl der Flüssigkeit unterscheiden, und zum anderen von der Weglänge des Elektronenstrahls durch die Flüssigkeit. Bei der Darstellung von Gold-Nanopartikeln auf einer Wasserschicht von 3 µm kann im Normalfall eine Auflösung von 1 nm erzielt werden. Der mikrofluidische Kanal erlaubt eine schnelle Injektion der Flüssigkeit. Besonders wichtig ist die nanoskalige Darstellung von Material in Flüssigkeit für die Materialwissenschaft im Bereich Energiespeicherung. Selbstverständlich müssen die Experimente sorgfältig geplant und hinsichtlich Brownscher Bewegung, elektrischer Aufladung und Strahlungsschäden ausgewertet werden.