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Düsseldorfer Max-Planck-Forscher präsentieren erstes dreidimensionales Elektronenmikroskop zur Strukturuntersuchung von Nanomaterialien
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Die Abbildung zeigt die 3D-Gradienten der kristallographischen Orientierung in einem intermetallischen Eisen-Aluminium-Kristall (Gitterkrümmung) in der unmittelbaren Umgebung einer sehr harten Laves-Phase (als transparentes Netz dargestellt). Die Farbabstufungen beschreiben jeweils eine Zunahme der Orientierungsänderungen zum Bezugspunkt an der Grenzfläche zwischen Matrix und Laves-Phase in Schritten von zwei Grad.
Bild: Max-Planck-Institut für Eisenforschung
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In der Abteilung Mikrostrukturphysik und Umformtechnik des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf wurde das weltweit erste Elektronenmikroskop eingeführt und in Betrieb genommen, mit dem man gleichzeitig und automatisiert den Phasengehalt, die Textur und die Grenzflächen von Materialien in drei Dimensionen untersuchen kann. Das Gerät besteht aus einem Höchstauflösungs-Rasterelektronenmikroskop und einem Ionen- bzw. Atommikroskop. Die beiden bisher in der Forschung getrennt genutzten Mikroskope sind nun zu einem einzigen neuen leistungsfähigen Instrument integriert (ZEISS 1540 XB), das zudem über ein umfangreiches Arsenal an Detektoren für die Messung von Beugungsmustern zur Orientierungsbestimmung und zur chemischen Analyse verfügt. Diese 3D-Technik erlaubt Einblicke in die Mikrostruktur von Nanomaterialien, biologischen Werkstoffen oder auch von höchstfesten Stählen, wie sie von anderen Mikroskopie-Verfahren nicht geliefert werden können.
Für die Materialwissenschaften ist die Möglichkeit, Mikrostrukturen dreidimensional untersuchen zu können, von großer Bedeutung. Dazu gibt es heute zwei Herangehensweisen: Zum einen untersucht man Materialien mit Hilfe von Röntgen-, Elektronen- oder Neutronen-Strahlung. Diese Methoden sind nicht-destruktiv und aus den gewonnenen Bildern kann man die dreidimensionale Struktur rekonstruieren. Von Nachteil ist, dass diese Methoden zu wenig Informationen, speziell bei kristallinen Materialien liefern und zeitaufwändig sind. Darüber hinaus sind sie in der Ortsauflösung gegenwärtig um etwa zwei Größenordnungen schlechter als das hier vorgestellt elektronenmikroskopische 3D-Verfahren (ca. 40 Kubik-Nanometer).
Der zweite Ansatz besteht darin, das Material scheibchenweise aufzunehmen und die gewonnenen Informationen dann in drei Dimensionen tomographisch zu rekonstruieren. Das dreidimensionale Messprinzip des neuen Mikroskops besteht darin, dass man mit dem Elektronenmikroskop zunächst eine zweidimensionale Abbildung mit der gewünschten kristallographischen oder chemischen Methode durchführt und anschließend mit dem Ionenstrahl eine Scheibe des Materials mit nanoskopischer Präzision abschneidet, so dass nun die darunter liegende Schicht analysiert werden kann. Auf diese Weise kann man Scheibe für Scheibe analysieren und abtragen, so dass am Ende ein digitales dreidimensionales Bild entsteht.
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