Neuartige Röntgenlinse schärft Blick in den Nanokosmos

  • 01. June 2015

Spezielle Nanostruktur ermöglicht starke Bündelung und damit hohe räumliche Auflösung.

Für die Untersuchung des Nanokosmos verwenden Forscher Röntgenstrahlung, weil sie viel feinere Details zeigt als sichtbares Licht und weil sich mit ihr in das Innere von Objekten hineinschauen lässt. Die hohe Eindringtiefe von Röntgenstrahlung ermöglicht die dreidimensionale Tomographie von Objekten wie biologischen Zellen, Computerchips oder Nanomaterialien für Energieumwandlung oder -speicherung. Die hohe Eindringtiefe bedeutet allerdings auch, dass Röntgenstrahlung durch konventionelle Linsen einfach hindurch fliegt, ohne gebeugt oder fokussiert zu werden.

Röntgenfokus

Abb.: Rekonstruktion des Röntgenfokus der Linse. An der Taille erreicht der Fokus eine Größe von nur noch acht Nanometern. (Bild: S. Bajt, DESY)

Durch hochpolierte Spezialspiegel lässt sich Röntgenstrahlung unter flachem Winkel nach und nach in die gewünschte Richtung lenken und auf diese Weise fokussieren. Die Fokussierung mit Hilfe von Spiegeln ist jedoch aufwendig, und die Spiegel sind sehr teuer. Eine alternative Methode ist die Verwendung von Kristallen. Kristallgitter streuen Röntgenstrahlung, wie der deutsche Physiker Max von Laue vor rund einem Jahrhundert entdeckt hat.

Dieser Effekt lässt sich über künstliche Kristalle nutzen, die im Labor gezielt aus zahlreichen Schichten von zwei oder mehr Materialien aufgebaut werden. Aus solchen künstlichen Kristallen lassen sich Multischicht-Laue-Linsen – kurz MLL – produzieren, die das Röntgenlicht gerade so streuen, dass es scharf auf einen Punkt fokussiert wird. Dazu müssen die Multischichten – gemäß dem Fresnel-Zonenplatten-Gesetz – eine bestimmte Struktur haben, bei der die einzelnen Schichten immer dünner werden. Die dünnste Schicht bestimmt dabei die räumliche Auflösung, die sich mit einer MLL erreichen lässt. „Konventionelle Laue-Linsen sind aus geometrischen Gründen allerdings in ihrer Beugungsfähigkeit begrenzt", erläutert Saša Bajt vom DESY. „Um die optimale Ablenkkraft zu bekommen, müssen die Lagen einer Laue-Linse leicht gegeneinander gekippt sein.“

Theoretische Berechnungen zeigen, dass die Lagen einer solchen Linse leicht keilförmig sein müssen, so dass sie gemeinsam den Ausschnitt aus einem Ring aufbauen, der einen Durchmesser vom Vierfachen der gewünschten Brennweite hat. Diese recht spezielle Eigenschaft ließ sich bislang nicht herstellen. Bajts Team hat dazu einen neuen Produktionsprozess entwickelt. Multischicht-Linsen werden üblicherweise hergestellt, indem die gewünschten Materialien mit Hilfe der Plasmazerstäubung zu einem feinen Nebel zerstäubt werden, um sich dann auf einem Trägermaterial abzulagern. Auf diese Weise lässt sich Schicht um Schicht auftragen, die Schichten können dabei dünner als ein Nanometer sein.

Röntgenlinse

Abb.: Die neuartige Röntgenlinse unter dem Rasterelektronenmikroskop. Der helle Bereich besteht aus 5500 ultradünnen, keilförmigen Schichten aus Wolfram und Siliziumkarbid. Der dunkle Bereich ist das Trägermaterial. Die Linse ist 40 Mikrometer breit. (Bild: S. Bajt, DESY)

Das DESY-Team nutzte bei dem Prozess eine Maske, mit der sich die Ablagerung der Schichten während der Herstellung teilweise abschatten lässt. Im Halbschatten der Maske entsteht die gewünschte keilförmige Struktur, wobei sich der Kippwinkel der Schichten gegeneinander über den Abstand der Maske zum Trägermaterial präzise kontrollieren lässt. Die keilförmige Laue-Linse wird anschließend aus der Halbschattenregion herausgeschnitten. „Vor uns ist es niemandem auch nur in Ansätzen gelungen, eine solche keilförmige Linse herzustellen“, betont Bajt.

Die Forscher produzierten eine Keilstruktur aus 5500 abwechselnden Schichten von Siliziumkarbid und Wolfram mit variierender Dicke. Die Linse, die schließlich aus dieser Struktur geschnitten wurde, ist 40 Mikrometer breit, 17,5 Mikrometer dick und 6,5 Mikrometer tief. Im Test an der Messstation P11 von DESYs ultraheller Röntgenquelle PETRA III erzeugte die neuartige Linse einen Fokus von nur acht Nanometern – nah am theoretischen Wert von sechs Nanometern. Die Tests zeigten auch eine quer über die Linse sehr gleichmäßige Helligkeit, eine wichtige Voraussetzung für hochqualitative Abbildungen. Die Linse ist dabei so ausgelegt, dass bis zu 60 Prozent des eingestrahlten Röntgenlichts den Fokus erreichen können.

Die Linse fokussiert das Röntgenlicht zunächst nur in einer Richtung, was zu einer schmalen Linie führt. Um die Strahlung auf einen Punkt zu fokussieren, können zwei Linsen senkrecht hintereinander eingesetzt werden, von denen eine die vertikale und die andere die horizontale Fokussierung übernimmt.

„Die Ergebnisse belegen, dass unsere Fabrikationstechnik Linsen mit hoher Fokussierungskraft liefern kann. Wir sind überzeugt, dass wir mit unserer Methode sogar noch bessere Linsen erreichen können“, sagt Bajt. „Das seit langem verfolgte Ziel, Röntgenstrahlung auf einen Nanometer zu fokussieren, scheint nun erreichbar.“ Damit würden Röntgenmikroskope die Auflösung von Rasterelektronenmikroskopen erreichen, wobei sie aber nicht auf die Untersuchung von Oberflächen oder extrem dünnen Proben beschränkt sind.

DESY / RK

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