Wenn Wissenschaftler spielen…

…dann kommt etwa so etwas heraus wie hier. Diese überaus wissenschaftliche Aufnahme wurde vor kurzem bei uns am Institut von einem Kollegen gemacht.

Und dann haben wir noch das hier im Angebot:

Was sieht man hier – abgesehen von netten Bildchen?

Ein Blick auf die Maßstabsbalken unten im Bild verrät schon, dass es sich um sehr kleine Strukturen handelt. Sie sind nur ein paar Mikrometer groß (zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 80 Mikrometern, ein Spinnenfaden von etwa 5 Mikrometern). Die “Bildchen” sind in eine Oberfläche aus Silizium “gemalt” worden – das nimmt man gern für solche Anwendungen, weil man daraus gut sehr reine Kristalle herstellen kann; auch der Computer, an dem ihr gerade sitzt, enthält die in seinen Chips.

O.k., hier malt also jemand – wohlgemerkt während der Arbeitszeit – Smileys und andere Bildchen in einen Siliziumkristall. Wenn ich euch jetzt noch dazusage, dass die Anlage, mit der das Ganze gemacht wurde, etwa eineinhalb Millionen Euro gekostet hat und dies so ziemlich die erste Aktion am Institut mit dieser neuen Anlage war, dann seid ihr jetzt vermutlich endgültig davon überzeugt, dass Wissenschaftler an Unis eigentlich nichts tun, als sinnlos Steuergelder zu verbraten um damit herumzuspielen, oder?

Das Ganze ist aber nicht so sinnlos, wie man vielleicht im ersten Moment denkt. Unser Institut hat, wie gesagt, ein neues Gerät erworben, ein Elektronenmikroskop, das mit einem “Focused Ion Beam” (fokussierter Ionenstrahl) ausgestattet ist, kurz auch ein FIB genannt.

Mit einem Elektronenmikroskop kann man ja sehr schöne dreidimensionale Bilder erzeugen, mit Auflösungen, die wesentlich besser sind als alles, was man mit Licht erreichen kann. Das liegt einfach daran, dass die Elektronenwellen eine viel kürzere Wellenlänge haben als das Licht, und man kann mit einer Welle immer nur Bilder von Strukturen machen, die etwa dieselbe Größe wie die Wellenlänge haben. (Das ist übrigens auch einer – wenn auch nicht der einzige – der Gründe, warum eine blue-ray disc mit einem blauen violetten Laser mit kurzer Wellenlänge mehr Informationen speichern kann als eine DVD, die einen roten Laser verwendet, oder eine CD mit einem Infrarotlaser mit noch größerer Wellenlänge.)

Ein Elektronenmikroskop – genauer gesagt, ein Rasterelektronenmikroskop oder kurz REM, es gibt auch noch andere – tastet mit einem scharf gebündelten Elektronenstrahl die Oberfläche einer Struktur ab. Dabei werden Elektronen aus der Oberfläche herausgeschlagen (Sekundärelektronen), die man dann detektieren kann. Damit lässt sich die Oberfläche eines Objekts sehr schön dreidimensional darstellen. Dieses Bild (wie üblich von Wikipedia) zeigt das Prinzip:

Von Salino01 aus der deutschsprachigen Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10102531

Zusätzlich können die Elektronen des einfallenden Strahls selbst auch noch vom Material zurückgeworfen werden – diese Rückstreuelektronen liefern einen guten Materialkontrast, weil Elektronen von unterschiedlichen Atomsorten unterschiedlich stark zurückgeworfen werden. Außerdem gibt es noch die Möglichkeit, dass beim Aufreffen der Elektronen Röntgenstrahlen entstehen, damit kann man dann die in der Probe enthaltenen chemischen Elemente direkt analysieren (das nennt man EDX oder WDX) – wir nutzen das zum Beispiel in einem Projekt, an dem ich beteiligt bin, um zu sehen, ob die Schichten, die wir untersuchen, tatsächlich aus dem gewünschten Zirkonoxid bestehen oder ob das Zirkon darin noch in metallischer Form vorliegt – wenn im EDX-Detektor Sauerstoff und Zirkon im richtigen Verhältnis gesehen werden, dann ist es Zirkonoxid, sonst eben nicht.

Ein Elektronenmikroskop ist also schon mal eine feine Sache, aber so eins haben wir schon seit Jahren am Institut (heutzutage kann man ohne auch kaum Materialforschung betreiben). Smileys kann man damit allerdings nicht malen – warum auch?

Zum Malen von Smileys muss man die Oberfläche beeinflussen und Material abtragen. Das geht mit einem Elektronenstrahl nicht, weil der die Oberfläche nicht sehr stark beeinflusst – er schlägt ein paar Elektronen raus, aber in einem metallischen Material, das noch dazu geerdet ist, fließen natürlich sofort wieder Elektronen nach, das Material merkt davon nichts viel. (Proben, die man im REM beobachtet, müssen immer elektrisch leitend sein, sind sie das nicht, werden sie mit einer hauchdünnen (naja, eigentlich ist hauchdünn viel zu dick, wir reden hier über ein paar Nanometer) Goldschicht bedampft.)