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Elektronenmikroskopie Die Grenzen verschieben – Elektronenmikroskopie neu definiert

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Dass die Elektronenmikroskop-Auflösung nicht von Bildfehlern der elektronenoptischen Linsen abhängt, erklärt Dr. Maximilan Haider Im LP-Exklusivinterview. Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus.

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Dr. Maximilian Haider, Ceos GmbH (Bild: Ceos)
Dr. Maximilian Haider, Ceos GmbH (Bild: Ceos)

LP: Herr Dr. Haider, Sie erhalten in diesem Jahr gemeinsam mit Harald Rose von der TU Darmstadt und Knut Urban vom Forschungszentrum Jülich den Wolf-Preis für Physik. Wofür werden Sie ausgezeichnet?

Dr. Maximilian Haider: Mit diesem Preis wird ein gemeinsames Forschungsprojekt gewürdigt, das wir Anfang der 1990er Jahre erfolgreich durchgeführt hatten. Auf einer Konferenz 1989 hatten Harald Rose, ein Theoretiker auf dem Gebiet der Elektronenoptik, der Materialwissenschaftler Knut Urban und ich eine Diskussion, wie das Auflösungsvermögen für die Materialwissenschaft verbessert werden könnte. Aus der Theorie der Elektronenoptik war seit über 50 Jahren klar, dass die Auflösung durch unvermeidbare Bildfehler von elektronenoptischen Linsen begrenzt wird. Wir waren uns einig in der Überzeugung, dass die Korrektur der unvermeidbaren Bildfehler der einzige erfolgversprechende Weg ist, die Auflösung wesentlich zu verbessern. Dies führte zu dem gemeinsamen Entschluss, am Europäischen Molekularbiologischen Labor (EMBL) diesen Korrektor zu realisieren. Am 1. Januar 1992 begannen wir – finanziell unterstützt durch die VW-Stiftung – unsere Arbeit. Im Juli 1997 wurde das erste Cs-korrigierte Bild mit einer Auflösungsverbesserung von 2,4 Å auf 1,2 Å aufgenommen. Bereits am 1. August 1997 wurde dieser Prototyp nach Jülich transferiert und am Forschungszentrum installiert. Dieser erste Labor-Prototyp kann als Durchbruch bei der Auflösungsbegrenzung durch Aberrationen in der Elektronenmikroskopie angesehen werden.

LP: Bitte beschreiben Sie unseren Lesern einige wichtige Etappen Ihrer Entwicklungen der letzten Jahre.

Dr. Haider: Noch während der Entwicklung des Korrektors gab es am EMBL die Entscheidung, das zuvor genehmigte Projekt für die Materialwissenschaft, das später in die Molekularbiologie überführt werden sollte, nicht mehr weiter zu führen. Als Ausweg für die Zukunft sah ich das Potenzial dieser Neuentwicklung und noch bevor das Projekt abgeschlossen war, machte ich mich mit Joachim Zach aus meiner Arbeitsgruppe am EMBL in Heidelberg 1996 mit einem weiteren Korrektor-Projekt bereits selbstständig. Nachdem der erste Prototyp des korrigierten Transmissionselektronenmikroskops (TEM) fertig war, fingen Diskussionen mit Herstellerfirmen an, um diese neue Entwicklung einer breiteren Anwendung über neue Mikroskope zuzuführen. Die weiteren Jahre waren einerseits geprägt von der Weiterentwicklung des ersten Prototyps hin zu einer Standard-Komponente eines kommerziellen hochauflösenden Mikroskops und andererseits von weiteren Korrektur-Projekten, die sehr ambitionierte Ziele hatten. Ein Projekt, das vom Energie-Ministerium der USA finanziert wurde, hatte zum Ziel, die Auflösung bis auf 50 pm – dem halben Durchmesser des Wasserstoffatoms – zu verbessern. Dieses Projekt konnte in der Zeit von 2004 bis 2009 erfolgreich abgeschlossen werden. Im Jahr 2009 haben wir ein neues gemeinsames Projekt (Salve = Sub-Angstrom Low Voltage Electron microscope) mit der Universität Ulm und der Firma Carl Zeiss begonnen. Das Ziel dieser Entwicklung ist, die instrumentellen Voraussetzungen zu schaffen, strahlempfindliche Objekte (biologische bzw. kohlenstoffhaltige Proben) bei niedrigen Energien mit atomarer Auflösung zu untersuchen. Für diesen Zweck wird ein neuer Korrektor entwickelt, mit dem nicht nur die sphärische Aberration sondern auch der chromatische Bildfehler korrigiert wird. Dieses Mikroskop soll im Sommer 2013 der Universität Ulm zur Verfügung gestellt werden.

LP: Wie haben sich Ihre Erkenntnisse auf die Elektronenmikroskopie ausgewirkt?

Dr. Haider: Mit den ersten Ergebnissen wurde schnell klar, dass die Auflösung nun nicht mehr durch die Elektronenoptik begrenzt ist, sondern durch die Stabilität der Mikroskope selbst. Jedes „Wackeln“ des Objekttisches, der Linsenversorgung oder anderer Komponenten reduziert das Auflösungsvermögen durch eine „Verschmierung“ des Bildes. Alle Hersteller begannen in die Entwicklung neuer stabilerer Elektronenmikroskope zu investieren und dies hat sich dadurch gezeigt, dass heute diese Mikroskope mit einer wesentlich höheren Auflösung angeboten werden. Neue Möglichkeiten der Anwendung der Elektronenmikroskopie kommen insbesondere dadurch, dass diese Mikroskope nun nicht nur als bildgebende Instrumente benutzt werden, sondern dass damit beispielsweise quantitative Analysen mit Messgenauigkeiten der Atompositionen im Pikometer-Bereich erreicht werden können.

LP: An welchen Projekten arbeiten Sie derzeit?

Dr. Haider: Wir arbeiten weiterhin an der Auflösungsverbesserung bei sehr unterschiedlichen Energien. So z.B. bei einem Projekt, das von der japanischen Regierung finanziert wird. Hier entwickeln wir einen Korrektor für ein 1,2 MeV TEM, mit dem eine Auflösung von 40 pm für die Elektronen-Holographie erreicht werden soll. Es sind derzeit noch einige andere neue Projekte in der Diskussion, die diese neuen Möglichkeiten der Korrektur der Bildfehler nutzen wollen. So z.B. in der ultraschnellen EM, der in-situ EM oder, wie bereits angesprochen, dass man atomare Auflösung auch bei strahlempfindlichen Objekten in der Biologie bei niedrigen Energien erreichen möchte.

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