entdeckt_01_2016

entdeckt 01.16 TITEL WWW.HZDR.DE sich die Forscher mit einem Trick befreien: Mit einer beson- ders kleinen Sonde rücken sie bis auf wenige Nanometer an die Probe heran – in das Nahfeld. Bei der sogenannten Nahfeld-Mikroskopie wird nur ein winziger Punkt direkt unter der Spitze der Sonde betrachtet. Um zusammenhängende Strukturen zu untersuchen, muss deshalb die gesamte Oberfläche der Probe in einem vordefi- nierten Raster abgesucht werden. Die Freie-Elektronen-Laser am ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des HZDR liefern dafür die punktgenaue Beleuchtung, wie Winnerl erklärt: „Wir erzeugen einen in der Wellenlänge justierbaren, intensiven Infrarotstrahl, der direkt auf die Spitze gelenkt wird.“ Das von dort zurückgestreute Licht wird mit einem De- tektor gemessen. Es enthält optische Informationen aus dem Bereich der Probe direkt unterhalb der Spitze. Dies ist nicht durch die Wellenlänge begrenzt. Eigenes Gast-Labor an der ELBE Damit aus den vielen Informationen der einzelnen Punkte am Ende ein Bild der Probe entstehen kann, setzt ein Com- puter sie wie ein Mosaik zusammen. Ein Prinzip, das bei der Rasterkraft-Mikroskopie schon länger etabliert ist: Auch dort wird eine wenige Nanometer kleine Nadel zeilenweise in einem feinen Raster über die Probe geführt. Allerdings werden dabei nur die atomaren Kräfte zwischen Nadelspitze und Probenoberfläche ausgewertet – die Spitze tastet noch blind. „Erst durch die Messung der Rückstrahlung in der Nahfeld- Mikroskopie lassen sich zusätzlich auch optische Eigenschaf- ten der Probe nach dem gleichen Rasterprinzip untersuchen“, erläutert Susanne Kehr, Physikerin am Institut für Angewandte Physik (IAP) an der TU Dresden. Kehr leitet dort am Lehrstuhl von Lukas Eng eine junge For- schergruppe, die sich intensiv mit mikroskopischer Methodik beschäftigt und Dauergast am ELBE-Zentrum ist. „In den Anfangsjahren haben wir noch regelmäßig einen Kleinwagen an der Uni mit Geräten vollgepackt und sind nach Rossendorf gefahren. Das war ein wenig wie Tetris spielen mit empfind- licher Mikroskopie-Technik“, sagt Kehr lächelnd. Heute steht der Gruppe ein eigenes Optik-Labor an der ELBE zur Verfü- gung, an dem die Forscher zwei Nahfeld-Mikroskope fest installiert haben. Die Freie-Elektronen-Laser können im sogenannten Dauer- strich-Modus betrieben werden: „Dabei liefern die Laser Strahlungspulse mit hoher Wiederholrate und kontrollierbarer Intensität. Das ist wichtig, da wir auf ein kontinuierliches Signal angewiesen sind und einzelne starke Pulse viele Proben zu stark anregen oder gar zerstören könnten.“ Die sehr gute Zusammenarbeit zwischen der IAP-Gruppe und den Wissenschaftlern am HZDR führte bereits zu beachtlichen Ergebnissen. So entwickelte der ehemalige HZDR-Doktorand Markus Fehrenbacher im Rahmen dieser Kooperation eine Superlinse auf Halbleiter-Basis, die ihrerseits eine Abbildung unterhalb des Beugungslimits ermöglicht und optische Signale in der Probe verstärkt. „Um solche Linsen überhaupt genauer zu untersuchen, braucht man eine Mikroskopie-Technik, die selbst nicht von der Wellenlänge beschränkt wird“, so Winnerl. Mit der Nahfeld-Mikroskopie konnten die Forscher erstmals zeigen, wie der Halbleiter Galliumarsenid durch zusätzliche Elektronen von gezielt eingebrachten Fremdatomen zur Su- perlinse verändert werden kann. Über die Konzentration sol- cher Störstellen lässt sich die Linse sogar auf die gewünschte Wellenlänge abstimmen. KOLLEGEN: Stephan Winnerl vom HZDR und Susanne C. Kehr von der TU Dresden arbeiten seit Jahren erfolgreich zusammen. Foto: Oliver Killig

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