Panorama

Elektronen und Photonen kombiniert

12.01.2021 - EU fördert Weiterentwicklung der Elektronenmikroskopie mit fünf Millionen Euro.

Mithilfe von Elektronen­mikroskopen lässt sich die atomare Struktur und die chemische Zusammen­setzung von Materialien ermitteln – und damit letztendlich auch kontrollieren. Das macht die Elektronen­mikroskopie zu einer Schlüssel­technologie, wenn es darum geht, hochfunktionale Materialien zu entwickeln, die die Zukunftsbereiche wie erneuerbare Energien, Biowissenschaften sowie Kommunikations- und Quanten­technologie vorantreiben könnten. Das Ziel des europäischen Projektes EBEAM – „Electron Beams Enhancing Analytical Microscopy“ – ist es, die Methoden der analytischen Elektronen­mikroskopie für die künftigen technischen Anforderungen weiter­zuentwickeln, indem die Wechsel­wirkungen zwischen Elektronen und Photonen einbezogen werden. Die Europäische Union fördert es seit dem 1. Januar 2021 im Rahmen ihres Förder­programms Horizont 2020 für Forschung und Innovation mit fünf Millionen Euro für die nächsten fünf Jahre. Zu den beteiligten Projekt­partnern gehören neben Nahid Talebi vom Institut für Experi­mentelle und Angewandte Physik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel sieben weitere Forschungs­einrichtungen und Unternehmen aus Deutschland, den Niederlanden, Spanien und Frankreich.

In Elektronen­mikroskopen werden Elektronen zu einem Strahl gebündelt, sehr schnell beschleunigt und auf eine Materialprobe gerichtet. Die bisher größt­mögliche Auflösung liegt im Bereich weniger Ångström. Je nach Art des Mikroskops lassen sich von der Art und Weise, wie Elektronen die Material­probe durchdringen oder von ihr reflektiert werden, Rückschlüsse auf die Eigenschaften und Prozesse im Material schließen. Im EBEAM-Projekt wollen die Wissen­schaftler die Elektronenstrahlen im Elektronen­mikroskop erstmals mit Lichtstrahlen kombinieren, um die Wechsel­wirkungen zwischen Elektronen und Photonen zu nutzen. Denn treffen Elektronen auf Photonen, ändert sich zum Beispiel ihre Energie, ihre Geschwin­digkeit oder ihr Schwung.

Die Forscher hoffen, auf diese Weise die Geschwindigkeit, mit der die Material­proben bestrahlt werden, zu erhöhen und damit die Auflösung von Elektronen­mikroskopen noch weiter zu verbessern. „Damit würde man eine Dimension erreichen, die ganz neue Möglichkeiten im Materialdesign eröffnet“, sagt Nanooptik-Forscherin Nahid Talebi. Außerdem wollen sie durch die Nutzung der Elektronen-Licht-Wechselwirkung den Energie­verbrauch der Mess­methoden senken. In Forschungs­projekten zu Energie­umwandlungs­materialien, zu opto­elektronischen Materialien und zur Quanten­technologie sollen die neuen Methoden angewendet werden.

Das EBEAM-Projekt umfasst insgesamt vier Teilbereiche zu verschiedenen Anwendungs­gebieten der Elektronen­mikroskopie. „In meinem Teilprojekt entwickle ich Methoden, um unter anderem die Ausbreitung von Photonen in Halbleitern zu untersuchen und so am Ende eine kohärente Energie­übertragung in nano­photonischen Bauelementen zu erreichen. Diese Techniken sind auch für andere Disziplinen interessant und könnten zu neuen Koopera­tionen führen“, so Talebi, die auch in weitere der Teilprojekte involviert ist. Finanziert wird das europäische Großprojekt im Rahmen der Förderlinie “FET Proactive“ im Forschungs­programm Horizon 2020. Ihr Ziel ist es, Wissenschaftler verschiedener Disziplinen aus ganz Europa zusammen­zubringen, um gerade entstehende Zukunfts­technologien voranzutreiben. Neben der Grundlagenforschung soll das EBEAM-Projekt auch die Infrastruktur auf dem Gebiet der analytischen Elektronen­mikroskopie stärken und die europaweite wissen­schaftliche und wirtschaftliche Zusammen­arbeit fördern. Dazu will das Konsortium regelmäßige inter­nationale Workshops und Summerschools veranstalten sowie Maßnahmen zur Öffentlichkeits­arbeit durchführen.

CAU Kiel / JOL

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