Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
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Ernst Ruska-Centrum
Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen
RHEINISCH-
WESTFÄLISCHE
TECHNISCHE
Forschungszentrum Jülich
HOCHSCHULE in der Helmholtz-Gemeinschaft
AACHEN
Auf einen Blick
Betreiber Forschungszentrum Jülich und RWTH Aachen
Mission Mit dem ER-C betreiben das Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen ein
Kompetenzzentrum für atomar auflösende Elektronenmikroskopie und -spektroskopie
auf international höchstem Niveau. Das ER-C entwickelt wissenschaftlich-technische
Infrastruktur und Methoden für die Materialforschung von heute und morgen.
Das ER-C ist zugleich das erste nationale Nutzerzentrum für höchstauflösende
Elektronenmikroskopie. Es gewährleistet Forschern aus Wissenschaft und Industrie
den Zugang zu den leistungsfähigsten Elektronenmikroskopen unserer Zeit und ist
Garant für kompetente Betreuung.
Namensgeber Ernst Ruska (1906 – 1988),
Nobelpreisträger für Physik und Entwickler des ersten Elektronenmikroskops
Gründung 27. Januar 2004
Standort Forschungszentrum Jülich
Direktoren Prof. Knut Urban, Forschungszentrum Jülich
Prof. Joachim Mayer, RWTH Aachen
Nutzung 50 Prozent Betreiber und 50 Prozent externe Nutzer aus Universitäten,
Forschungseinrichtungen und Industrie
Vergabe von Nach wissenschaftlichen Kriterien durch ein Gutachtergremium.
Messzeiten Einzelheiten – auch zur Antragstellung – finden sich in der gesondert erhältlichen
Nutzer- und Gebührenordnung.
Ausstattung Höchstleistungselektronenmikroskope des Typs Titan 80-300, die eine Ortsauflösung
von 80 Pikometern und eine Energieauflösung von 0,1 Elektronvolt erlauben;
Einrichtungen zur Datenanalyse und Probenvorbereitung, wie moderne
„Focussed Ion Beam“- und Niedrigspannungsionendünnungs-Anlagen;
konventionelle Transmissions- und Rasterelektronenmikroskope zur Voruntersuchung
elektronenmikroskopischer Proben
Forschungs- Das ER-C erarbeitet mit seinen Kooperationspartnern Grundlagen für die Weiter-
schwerpunkte entwicklung der Elektronenmikroskopie und -spektroskopie und schafft damit eine
Voraussetzung für die Innovationsfähigkeit anderer Technologiezweige. Hausinterne
Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Physik der kondensierten Materie
sowie auf Materialien für die Informations- und Nanotechnologie.
Kontakt Dr. Karsten Tillmann (k.tillmann@fz-juelich.de), Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie
und Spektroskopie mit Elektronen, Forschungszentrum Jülich GmbH, 52425 Jülich
Netzpräsenz www.er-c.org
2–3 Forschungszentrum Jülich • Ernst Ruska-Centrum
Inhalt Auf einen Blick 2 Vorworte 4 Das Ernst Ruska-Centrum: Mission und Profil 6 Für eine scharfe Sicht: Aberrationskorrektur in der Elektronenmikroskopie 8 Aberrationskorrigierte Elektronenoptik: Erfolgreich in Wissenschaft und Industrie 10 Forschung im Grenzbereich: Spitzentechnologie braucht Fachkompetenz 12 Über uns 14 Impressum 15 Links: Höchstauflösendes Elektronenmikroskop der neusten Generation vom Typ Titan 80-300 Mitte: Gitterabbildung des komplexen Oxids Ca0,28Ba0,72Nb2O6(CBN-28); die grünen Kreisflächen entsprechen den Sauerstoffatomen Rechts: Phasenplatte, gemessen mit Hilfe der ATLAS-Software (S. 11) bei der Justierung eines aberrationskorrigierten Elektronenmikroskops Ernst Ruska-Centrum • RWTH Aachen 2–3
STO auf DSO
STO Substrat
Intensität
452 454 456 458 460 462 464 468
⌬E (eV)
Vorwort
Von der Nanotechnologie bis zu neuen Die herausragenden wissenschaftlichen
Werkstoffen, von der Elektronik bis zur Auto- Ergebnisse, die in der kurzen Zeit seit der
mobiltechnik – überall erfordert die Fähigkeit zur Gründung erzielt wurden, unterstreichen ein-
Innovation gezielte Einsichten in die atomare drucksvoll den Erfolg und die Bedeutung des
Welt, denn das Zusammenspiel einzelner Atome ER-C für Wissenschaft und Industrie in Deutsch-
bestimmt die Eigenschaften von Materialien land und Europa. Dabei steht das ER-C in
und Bauelementen. Konkurrenz mit anderen großen Nutzerzentren,
insbesondere in Japan und den USA, die die in
Das Forschungszentrum Jülich, die TU Darmstadt Deutschland entwickelte Technik als Basis ihrer
und das Forschungslabor EMBL in Heidelberg Forschung nutzen. Das Forschungszentrum
entwickelten deshalb in den 1990er Jahren eine Jülich wird mit seinen Partnern weiter im
neue Elektronenoptik, die mikroskopische Bilder Bereich der Elektronenmikroskopie forschen,
einer bis dahin nicht gekannten Auflösung und um auch in Zukunft neue Maßstäbe zu setzen.
Schärfe lieferte. Dieser Qualitätssprung hat sich
heute als weltweiter Standard in der Elektronen-
mikroskopie etabliert und ermöglicht, unser
Verständnis des Zusammenspiels der Atome
stetig zu verbessern. Die effiziente Nutzung
der komplexen elektronenoptischen Techniken
setzt eine hohe Qualifikation der beteiligten
Wissenschaftler voraus. Um diesem Anspruch
gerecht zu werden, haben im Januar 2004
das Forschungszentrum Jülich und die RWTH
Aachen die erste nationale Kompetenzplattform
für Elektronenmikroskopie gegründet, das Ernst
Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektro-
skopie mit Elektronen (ER-C). Das ER-C bietet
Universitäts- und Industrieforschern einen welt-
weit einmaligen Zugang zur atomaren Welt. In
der RWTH Aachen hat das Forschungszentrum
Jülich einen exzellenten Partner gefunden, mit
dem das ER-C paritätisch und partnerschaftlich
betrieben wird. Die gute Zusammenarbeit diente
auch als Basis für die Gründung der Jülich
Aachen Research Alliance (JARA) im August
2007, deren innovatives Konzept in der
Zusammenarbeit zwischen Universität und
Großforschung in Deutschland Vorbildcharakter Prof. Achim Bachem,
besitzt. Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums Jülich
4 –5 Forschungszentrum Jülich • Ernst Ruska-Centrum
In Multischichtsystemen komplexer Oxide lassen sich Rechts: Der charakteristische Energieverlust ⌬E der
Gitterspannungen zur Erhöhung der Polarisierbarkeit L-Kantenanregung des Titans zeigt eine chemische
der Materialien nutzen. Links: Chemisch sensitive Verschiebung im Strontiumtitanat innerhalb des
„Z-Kontrast“-Abbildung eines Schichtsystems aus Schichtsystems, die aus einer Verzerrung der Titan-
Dysprosiumscandat (DSO) und Strontiumtitanat (STO). Sauerstoff-Bindungen resultiert.
Vorwort
Forschungsleistung verändert die Welt von Die Aachener Hochschule – mit ihrem Schwer-
morgen. Die Ergebnisse der Grundlagen- punkt in den Ingenieur- und Naturwissen-
forschung finden wir häufig binnen kurzer schaften – hat seit Jahrzehnten mit dem
Zeit in den Produkten des Alltags. Forschungszentrum Jülich bereits in vielen
Fragestellungen der Zukunftstechnologien
Am Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und erfolgreich agiert. Die Zusammenarbeit fand
Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) haben dabei in unterschiedlichen Formen statt.
Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen jetzt Neben Projekten in den Sonderforschungs-
die exzellente technische Ausstattung, die sie für beziehungsweise Transferbereichen wurden
ihre Arbeit benötigen. Das Forschungszentrum beispielsweise das „Aachen Institute for
Jülich und die RWTH Aachen haben mit diesem Advanced Study in Computational Engineering
Zentrum einen weiteren Baustein in ihrer erfolg- Science“ und die „German Research School
reichen Zusammenarbeit gelegt. for Simulation Science“ eingerichtet.
Mit JARA – der Jülich Aachen Research Alliance –
wurde kürzlich die Partnerschaft zwischen
universitärer und außeruniversitärer Forschung
auf eine neue Basis gestellt.
Ziel der Zusammenarbeit ist stets die Stärkung
der Wissens- und Technologieregion Aachen
und ihrer Forschungseinrichtungen.
Prof. Burkhard Rauhut,
Rektor der RWTH Aachen
Ernst Ruska-Centrum • RWTH Aachen 4–5
Das Ernst Ruska-Centrum:
Der rasante Fortschritt auf dem Gebiet der Innovative Nanomaterialien müssen auf einer
Informations- und Kommunikationstechnologien stetig kleiner werdenden Längenskala verstanden
fußt auf der fortschreitenden Miniaturisierung werden, denn jeder atomare Fehler oder jede
der Bauelemente. In den Computerchips der Verzerrung der Anordnung der Atome kann
nächsten Generation wird es Strukturen geben, die Eigenschaften einzelner Bauelementkompo-
die kleiner sind als 45 Nanometer. Das entspricht nenten beeinflussen. Um dies zu untersuchen
etwa 200 aneinandergereihten Siliziumatomen. und innovative Hochleistungswerkstoffe zu
Entscheidend für das Verständnis der Funktions- entwickeln, bedarf es höchstauflösender
mechanismen stetig kleiner werdender Strukturen mikroskopischer Techniken, die es gestatten,
sind leistungsfähige Mikroskope und Geräte, die nanoskalige Systeme in atomaren Dimensionen
die Eigenschaften der Nanowelt offen legen. exakt zu kontrollieren.
Die internationalen Anstrengungen, neue Kooperation Forschungszentrum
Forschungsbereiche in der Welt der Nanodimen- Jülich und RWTH Aachen
sionen zu erschließen und daraus innovative
Mit der Gründung des Ernst Ruska-Centrums für
Anwendungen abzuleiten, führen unmittelbar
Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen
zu atomistischen Konzepten. Nanophysik, Nano-
(ER-C) haben das Forschungszentrum Jülich und
elektronik und Nanotechnologie bedeuten die
die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule
Synthese und Herstellung in quasi-atomaren
(RWTH) Aachen exzellente Voraussetzungen
Maßstäben.
dafür geschaffen, zukünftige Anforderungen an
die atomar auflösende Elektronenmikroskopie
so früh wie möglich zu erkennen und damit
instrumentelle und methodische Entwicklungen
an vorderster Forschungsfront maßgeblich vor-
anzutreiben. Das ER-C mit Sitz in Jülich wurde
im Januar 2004 als erstes nationales Kompetenz-
zentrum für höchstauflösende Elektronenmikro-
skopie und -spektroskopie gegründet und hat im
Mai 2006 formal seinen Betrieb aufgenommen.
Das eingehende Verständnis der atomaren Ursachen
makroskopischer Materialeigenschaften bildet die
Basis, um Materialien der modernen Informations-
technologie problemspezifisch maßschneidern zu
können.
6–7 Forschungszentrum Jülich • Ernst Ruska-Centrum
Galliumarsenid (GaAs) wird für Hochfrequenz- Transmissionselektronenmikroskop erstellt und zeigt
anwendungen und für die Umwandlung von einen extrinsischen Stapelfehler, der in Bauelementen
elektrischen in optische Signale verwendet. zu einem Kurzschluss auf atomarer Ebene führen
Links: Die hochauflösende Mikrographie von GaAs würde. Rechts: quantitative Analyse der zugrunde
(16,3 Millionen Mal vergrößert) wurde am ER-C liegenden Gitterverzerrungen.
mit dem weltweit ersten aberrationskorrigierten
Mission und Profil
Eine Gründungsvereinbarung regelt die Zu- 50 Prozent externe Nutzung
sammenarbeit der gleichberechtigten Partner
Eine enge Zusammenarbeit des ER-C mit der
Forschungszentrum Jülich und RWTH Aachen.
Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) stellt
Die beteiligten Institute, das Institut für Fest-
eine universitätsnahe und anwendungsorientierte
körperforschung in Jülich und das Gemein-
Ausrichtung des Zentrums sicher. Die DFG war
schaftslabor für Elektronenmikroskopie der
bereits in die Gespräche zur Gründung des
RWTH Aachen, gewährleisten die wissenschaft-
ER-C eingebunden, sie ist im Kuratorium der
liche und technische Kompetenz des Zentrums.
Einrichtung vertreten und hat eines der beiden
Beide Einrichtungen verfügten bereits vor
Höchstleistungsmikroskope des ER-C finanziert.
Gründung des ER-C über eine umfangreiche
In Absprache mit der DFG wurde festgelegt,
elektronenmikroskopische Ausstattung. Darüber
dass 50 Prozent der Nutzungszeit Universitäten,
hinaus forscht am Jülicher Institut eine der
Forschungseinrichtungen und der Industrie zur
weltweit wenigen theoretischen Arbeitsgruppen
Verfügung gestellt wird. Diese Zeit wird von
auf dem Gebiet der Elektronenoptik. Mit der
einem von der DFG benannten Gutachter-
Zielvorgabe, die ultimativen Grenzen elektronen-
gremium nach Prüfung der Qualität der Anträge
mikroskopischer Abbildungstechniken auszu-
vergeben. Die verbleibende Zeit teilen sich die
reizen, fällt dieser mehrfach ausgezeichneten
RWTH Aachen und das Forschungszentrum
Arbeitsgruppe eine Schlüsselfunktion im inter-
Jülich. Mit dem Betrieb des ER-C erfüllt das
nationalen Wettbewerb in Grundlagenforschung
Forschungszentrum Jülich eine seiner zentralen
und elektronenoptischer Industrie zu.
Aufgaben, die in der Mission der Helmholtz-
Gemeinschaft deutscher Forschungszentren
definiert sind: Die Bereitstellung kostenintensiver
und betreuungsaufwendiger Infrastruktur,
welche die Möglichkeiten einzelner wissen-
schaftlicher Einrichtungen übersteigt.
Einweihung des ER-C am 18. Mai 2006 mit Angehörigen
des Namensgebers, von links: Klaus Ruska,
RWTH-Rektor Prof. Burkhard Rauhut, Irmela Ruska,
Dr. Jürgen Ruska , Prof. Joachim Treusch (Vorstands-
vorsitzender des Forschungszentrums Jülich bis Oktober
2006) sowie die Direktoren des ER-C Prof. Knut Urban
(Jülich) und Prof. Joachim Mayer (Aachen)
Ernst Ruska-Centrum • RWTH Aachen 6–7
Sr
Ti
O
°
1A
Für eine scharfe Sicht:
Die Bildentstehung in einem hochauflösenden mechanismus erhöhte zudem den Bildkontrast
Transmissionselektronenmikroskop (TEM) ist deutlich.
grundlegend vergleichbar mit der Phasenkon-
trastabbildung in einem Lichtmikroskop. Jedoch Mit dem in Jülich in Betrieb genommenen
ermöglicht die kürzere Wellenlänge der zur Prototypen eines solchen aberrationskorrigierten
Abbildung genutzten hochenergetischen Elektro- Elektronenmikroskops waren die Jülicher Forscher
nen – verglichen mit den Lichtwellen eines Licht- erstmalig in der Lage, einzelne Reihen überein-
mikroskops – eine wesentlich höhere Auflösung. anderliegender leichter Sauerstoffatome in der
Umgebung schwerer Atome abzubilden und so-
TEMs arbeiten mit elektromagnetischen Linsen, gar deren lokale Konzentrationsschwankungen
die den Elektronenstrahl bündeln, ihn auf die zu in atomaren Dimensionen präzise zu messen.
untersuchende Probe lenken und schließlich die
Objektstruktur vergrößern. Elektromagnetische Softwarelösung „Made in Jülich“
Rundlinsen besitzen allerdings, wie ihre Gegen-
Doch die Forscher am ER-C gingen noch einen
stücke aus Glas, eine nachteilige Eigenschaft, die
entscheidenden Schritt weiter. Beim Blick in
das Auflösungsvermögen der Elektronenmikro-
Nanodimensionen gelten nämlich die Regeln der
skope über Jahrzehnte deutlich einschränkte, die
Quantenphysik. Praktisch bedeutet dies, dass die
so genannte „sphärische Aberration“. Elektro-
visuelle Bildinterpretation nicht mehr ausreicht,
nen, die die strahlformende Kondensor- oder
wenn man sich den physikalischen Auflösungs-
die bildgebende Objektivlinse fern der optischen
grenzen nähert. Was dann wie ein Bild im kon-
Achse, also in der Nähe der jeweiligen Linsen-
ventionellen Sinne aussieht, ist in Wirklichkeit ein
ränder durchdringen, werden dabei zu stark
verschlüsseltes Ergebnis der quantenphysikali-
abgelenkt. Das Resultat sind „unscharfe“ Bilder
schen Wechselwirkung der Elektronenwellen mit
mit entsprechend verringerter Auflösung.
den Atomen der Probe. Deshalb entwickelten die
Wissenschaftler ein softwarebasiertes Verfahren,
Brille für Elektronenmikroskope das die zuverlässige Auswertung der höchstauf-
In Lichtmikroskopen wurde dieses Problem gelösten Bilddaten erst ermöglichte. Aus einer
schon früh durch die Verwendung zusätzlicher Serie sukzessive aufgenommener Abbildungen
Zerstreuungslinsen gelöst, doch die Zerstreuung kann mit Hilfe numerischer Rechnungen so die
des Elektronenstrahls bereitete lange Zeit von der Probe ausgehende Objektwellenfunktion
Probleme. Erst in den 1990er Jahren gelang rekonstruiert werden (mehr Informationen zur
einer Forschergruppe der TU Darmstadt, des Software „TrueImage“: Seite 10 /11).
EMBL Heidelberg und des Forschungszentrums
Jülich, gefördert von der VolkswagenStiftung, Forscher am ER-C konnten mithilfe der ausge-
der Durchbruch mit der Entwicklung eines klügelten Sehhilfen für ihre Mikroskope mittler-
speziell geformten magnetischen Linsensystems, weile atomare Abstände auf wenige Pikometer
des so genannten „Hexapol“-Korrektors. Eine genau vermessen, eine Größe, die etwa dem
zusätzliche Umkehr des Kontrastübertragungs- Zehntel eines Atomdurchmessers entspricht.
8–9 Forschungszentrum Jülich • Ernst Ruska-Centrum
Strontiumtitanat – links im unkorrigierten Elektronen- Elektronenmikroskopen direkt abzubilden, eröffnet
mikroskop, rechts im aberrationskorrigierten Mikro- neue Möglichkeiten zur Erforschung von Oxiden,
skop. Nur die rechte Abbildung zeigt die atomare einer wichtigen Materialklasse in der Informations-
Struktur. Die Möglichkeit, erstmals Sauerstoff mit technologie.
Aberrationskorrektur
in der Elektronenmikroskopie
Sphärische Aberration: das Problem der Randablenkung
Beim Lichtmikroskop sorgt eine Zerstreuungslinse Ein komplexes System aus elektromagnetischen Linsen,
dafür, dass die Randablenkung der Sammellinse der so gennante Hexapol-Korrektor, kompensiert die
korrigiert wird. Randablenkung beim Elektronenmikroskop.
Ernst Ruska-Centrum • RWTH Aachen 8–9
-2 % 2
Aberrationskorrigierte Elektronenoptik:
Die Entwicklung aberrationskorrigierter Elek- Industriepartner ER-C
tronenmikroskope hat zu einem einzigartigen
Das ER-C arbeitet auf der Basis einer Koopera-
Aufschwung im Bereich der elektronenoptischen
tionsvereinbarung mit der Firma FEI zusammen,
Industrie geführt. Seit Markteinführung der
einem der innovativsten Unternehmen in der
neuesten Gerätegeneration im Jahr 2004, die
Elektronenmikroskopie-Branche. An FEI wurde
teilweise nicht nur einen Abbildungskorrektor,
Software lizenziert, die Schlüsselfunktionen in
sondern auch einen Korrektor im Strahl-
der atomar auflösenden Elektronenmikroskopie
formierungssystem sowie Monochromatoren
leistet. So entwickelten Jülicher Forscher eine
und Elektronenspektroskopie besitzt, wurden
Technik zur computerbasierten Rekonstruktion
bis Ende 2006 etwa 100 Geräte geordert.
Das entspricht je nach Ausrüstung einem der quantenmechanischen Objektwellenfunktion
Auftragsvolumen von jeweils 3 bis 4 Millionen aus Fokusserien, die unentbehrlich für Arbeiten
Euro. im Grenzbereich der Elektronenmikroskopie ist.
Das Ergebnis dieser Forschungsarbeiten, ein
Einen großen Teil der Korrektoren für die Elek- umfangreiches Softwareprodukt für quanten-
tronenmikroskope der neuen Generation liefert mechanisch-optische Bildanalysen, wird unter
oder lizensiert die CEOS GmbH in Heidelberg. der Bezeichnung „TrueImage“ vertrieben und
Dieses Unternehmen wurde nach dem erfolg- weltweit angewendet. Das jüngste Produkt
reichen Abschluss des Jülich-Darmstadt-Heidel- ist die Diagnostiksoftware „ATLAS“, die eine
berger Projektes (Seite 8) von Dr. Maximilian schnelle und hochpräzise Analyse elektronen-
Haider, einem der Projektverantwortlichen, optischer Restaberrationen ermöglicht und da-
gegründet. mit eine Voraussetzung für deren anschließende
Korrektur ist.
Von Nanotechnologie bis
Automobilbau
Die wissenschaftlichen Anwendungsmöglich-
keiten der höchstauflösenden Elektronenmikro-
skopie sind vielfältig. Das Zusammenspiel von
Atomen bestimmt die Eigenschaften von Mate-
rialien und Bauelementen; ein Verständnis dieser
grundlegenden Prozesse ist die entscheidende
Basis für die Entwicklung neuer Werkstoffkom-
binationen für Anwendungen in der Nanotech-
nologie über die Computerindustrie bis hin zur
Automobiltechnik. Ausgewählte Ergebnisse von
Das ER-C ermöglicht Forschern aus Wissenschaft und
Industrie den Zugang zu den leistungsfähigsten Forschungsprojekten des ER-C finden sich jeweils
Elektronenmikroskopen unserer Zeit. oben auf den Doppelseiten dieser Broschüre.
10 – 11 Forschungszentrum Jülich • Ernst Ruska-CentrumDie Effizienz von Laserstrukturen aus Indiumgallium- hexagonalem InGaN mit den benachbarten indium-
nitrid (InGaN) wird durch Gitterspannungen und Fluktua- dotierten Galliumatomsäulen und Stickstoffsäulen.
tion der Indiumkonzentration in den Quantenkanälen Die Indiumkonzentration innerhalb des acht Atom-
beeinflusst. Das Phasenbild einer rekonstruierten Elek- lagen dicken Quantengrabens wird durch Vermessen
tronenwellenfunktion (links) zeigt die Gitterstruktur von des lokalen Gitterparameters (rechts) bestimmt.
Erfolgreich in Wissenschaft und Industrie
ATLAS© Truelmage©
Am ER-C entwickelte Software-Pakete: Restaberrationen lassen sich durch Verwendung des
ATLAS ermöglicht die präzise Vermessung des elektro- TrueImage-Pakets zur Rekonstruktion der Objektwellen-
nenoptischen „Ist-Zustands“ des Elektronenmikroskops funktion ⌿(r) aus einer Fokusserie hochaufgelöster
aus der Analyse von Zemlin-Tableaus. Werden die so Gitterabbildungen vollständig eliminieren.
gemessenen Aberrationen gezielt in die Steuerung Beide Pakete in Kombination entschlüsseln – erstmals
des Hexapol-Korrektors eingekoppelt, lassen sich die in der Geschichte der hochauflösenden Elektronen-
Transfereigenschaften des Instruments weitgehend mikroskopie – direkt die „wahre“ Struktur des unter-
optimieren. suchten Präparats.
Ernst Ruska-Centrum • RWTH Aachen 10 – 11dKontakt≈10µm
Abh. v. Lebensdauer u. Geschwindigkeit
SiO2
p+ p+ Si n+ n+
SiO2
Band- p+ p+ Si n+ n+
abstand Ag
SiO2
EG1
p+ p+ Si n+ n+
SiO2
p+ p+ Si n+ n+
Stromfluss
SiO2
Band- Ag
p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+
abstand
Al
EG2
p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+
Forschung im Grenzbereich:
Die Anwendung modernster Methoden der Kritischer Schritt:
höchstauflösenden Elektronenmikroskopie Die Probenpräparation
erfordert spezielles Fachwissen und Erfahrung –
nur so können verwertbare Resultate im Grenz- Die Präparation elektronentransparenter Proben
bereich der Elektronenmikroskopie erzielt werden. stellt einen besonders kritischen Arbeitsschritt
Deshalb bietet das ER-C Spitzentechnologie der Elektronenmikroskopie dar. Insbesondere gilt
gemeinsam mit international herausragender dies im Grenzbereich der atomaren Auflösung;
Fachkompetenz. Dieses weltweit einmalige An- so darf das Probenmaterial eine maximale
gebot garantiert eine effiziente und zielgerichtete Präparatdicke von üblicherweise fünf Nano-
Nutzung der wertvollen Gerätschaften. metern nur unwesentlich überschreiten.
Im ER-C ergänzen sich die wissenschaftliche Deshalb verfügt das ER-C über modernste
Expertise des Instituts für Festkörperforschung Einrichtungen der Probenvorbereitung, etwa
am Forschungszentrum Jülich und des Gemein- über „Focussed Ion Beam“(FIB)- und Niedrig-
schaftslabors für Elektronenmikroskopie der spannungsionendünnungs-Anlagen mit
RWTH Aachen optimal. Auf dem Gebiet der integriertem Rasterelektronenmikroskop sowie
höchstauflösenden Elektronenmikroskopie und über konventionelle Transmissionselektronen-
-spektroskopie arbeiten die beiden Einrichtungen mikroskope, welche im Bedarfsfall zur Über-
im ER-C zusammen, im Nutzerbetrieb bietet das prüfung der Probenqualität den Subångström-
ER-C jedoch nicht nur elektronenoptische Untersuchungen vorgeschaltet werden können.
Spitzengeräte, sondern auch Einrichtungen zur
Probenpräparation und zur Voruntersuchung Mikroskope der neuesten
elektronenmikroskopischer Präparate sowie Generation
eine umfassende Betreuung bei der Analyse Das Herz der Geräteausstattung des ER-C bilden
von Messdaten. zwei aberrationskorrigierte Titan 80-300 Mikro-
skope der Firma FEI mit 300 Kilovolt Beschleuni-
gungsspannung: Das abbildende TITAN 80-300
bietet ein Primärauflösungsvermögen von
80 Pikometern und erlaubt Messungen mit
einer Genauigkeit unterhalb von 5 Pikometern
bei der Bestimmung von Atompositionen.
Probenvorbereitung: Eine mittels FIB-Technologie
präparierte, etwa 10 Mikrometer lange Probenlamelle
(Mitte) wird an einem Trägernetzchen (oben)
angeschweißt. Unten: die Spitze des Manipulators.
12 – 13 Forschungszentrum Jülich • Ernst Ruska-CentrumNeue hocheffiziente Solarzellen lassen sich auf der werden SiO2-Schichten als Barriere eingebracht.
Basis von Silizium(Si)-Nanostrukturen realisieren. In der Im Elementverteilungsbild (rechts) unterscheiden sich
Entwicklung sind Multischichtsysteme (links), in denen SiO2-Schichten (grün) von reinem Silizium (rot) durch
das Absorptionsvermögen durch Variation der Dicke ihren Sauerstoffgehalt. Das Energieverlustsignal
der Si-Schichten eingestellt wird. Zwischen diesen wird mit einem abbildenden Energiefilter erfasst.
Spitzentechnologie braucht Fachkompetenz
Das TITAN 80-300 Rastertransmissionsselektro- Herausforderung: Die Auswertung
nenmikroskop (STEM) erreicht spektroskopisch
Elektronen „sehen“ anders, als das menschliche
mit einem Gatan Imaging Filter eine Energie-
Auge dies aus der Lichtoptik gewohnt ist. Elek-
auflösung von weniger als 0,1 Elektronvolt
tronenmikroskopische Abbildungen liefern ver-
sowie eine Ortsauflösung von 0,1 Nanometern.
schlüsselte Information über das interatomare
Potential. Daraus strukturelle und element-
Betreute Nutzung
spezifische Information abzuleiten, erfordert ein
Externe Nutzer erfahren betreuende Unterstüt- quantenphysikalisches Verständnis des gesamten
zung durch die Wissenschaftler und Ingenieure bildgebenden Prozesses zuzüglich der Wechsel-
des ER-C, die sie während der anspruchsvollen wirkung der Elektronen mit dem atomaren
mikroskopischen Untersuchungen begleiten. Objekt selbst. Eine elektronenmikroskopische
Für diese Betreuung auf höchstem wissenschaft- Abbildung ist deshalb, von wenigen Grenzfällen
lichem Niveau bringt das ER-C 50 Prozent seiner abgesehen, selten direkt und intuitiv zu inter-
Wissenschaftlerkapazität ein. pretieren. In der Praxis sind deshalb computer-
gestützte Analysen zur Auswertung primärer
Messdaten notwendig.
Das ER-C bietet die effiziente Auswertung
in enger Kooperation mit der hauseigenen
Methodik- und Theoriegruppe an, um externen
Nutzern zu ermöglichen, ein Maximum an ver-
wertbarer Information aus experimentellem
Datenmaterial zu gewinnen. Dieser Art einer
umfassenden Nutzerbetreuung kommt eine
Schlüsselfunktion in der Beurteilung der
Belastbarkeit von Messergebnissen zu.
Exzellente Nutzerbetreuung bildet neben modernster
Ausstattung die Basis für erfolgreiche Spitzenforschung
am ER-C.
Ernst Ruska-Centrum • RWTH Aachen 12 – 13Über uns
Forschungszentrum Jülich RWTH Aachen
Das Forschungszentrum Jülich leistet wesent- Über 30.000 Studierende sind in den 92 Studien-
liche Beiträge zu den großen gesellschaftlichen gängen der RWTH Aachen eingeschrieben. Der
Herausforderungen auf den Gebieten Gesund- Schwerpunkt der RWTH Aachen liegt in den
heit, Energie & Umwelt sowie Informations- Ingenieur- und Naturwissenschaften. Die Hoch-
technologie. Basis seiner Arbeit sind zwei schule ist Arbeitgeberin für 6.700 Beschäftigte:
Schlüsselkompetenzen: die in Jülich traditions- 400 Professoren, 2.000 Wissenschaftliche
reiche Physik und die zukunftsträchtige Disziplin und 2.000 Nichtwissenschaftliche Mitarbeiter,
der Simulation Sciences. In Jülich werden sowohl über 1.700 Drittmittelbedienstete sowie
mittelfristig angelegte Grundlagenforschung 711 Auszubildende und Praktikanten. Damit
betrieben als auch konkrete technologische An- ist die RWTH die größte Arbeitgeberin und
wendungen erarbeitet. Das Forschungszentrum Ausbilderin der Region. Ihr Jahresetat liegt bei
Jülich ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft über 558 Millionen Euro. Über 140 Millionen
und gehört mit einem Jahresbudget von rund Euro davon kommen in die Hochschule als
360 Millionen Euro und seinen rund 4.400 Mit- sogenannte Drittmittel – Zuwendungen für
arbeiterinnen und Mitarbeitern zu den größten Forschungsprojekte von öffentlichen und
Forschungseinrichtungen Europas. industriellen Auftraggebern. Damit nimmt die
RWTH eine Spitzenstellung bei den bundes-
deutschen Hochschulen ein.
Ernst Ruska-Centrum
Das ER-C ist das erste gemeinsam von einem
Forschungszentrum und einer Universität betrie-
bene Kompetenzzentrum für höchstauflösende
Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen.
Es gewährleistet externen Nutzern aus Wissen-
schaft und Industrie Zugang zu den leistungs-
fähigsten Elektronenmikroskopen unserer Zeit.
Das ER-C erarbeitet mit seinen Kooperations-
partnern Grundlagen für die Weiterentwicklung
der Elektronenmikroskopie und schafft damit
eine entscheidende Voraussetzung für die Inno-
vationsfähigkeit anderer Technologiezweige,
Seit 1970 veranstaltet das Institut für Festkörperfor- etwa der Nanotechnologie. Eigenständige
schung jährlich eine Ferienschule zu einem aktuellen Forschungsarbeiten am ER-C konzentrieren
Thema der Physik der kondensierten Materie. Nach-
wuchswissenschaftler aus der ganzen Welt nutzen die sich einerseits auf die Entwicklung elektronen-
Chance, in Jülich von den Besten ihres Fachs zu lernen. optischer Technologien und Methoden sowie
14 – 15 Forschungszentrum Jülich • Ernst Ruska-CentrumDie Reorientierung atomarer Bindungen an Grenz- zwischen Strontiumtitanat und Lanthankuprat. Zur
flächen zwischen komplexen Oxidmaterialien kann Einhaltung der Ladungsneutralität bildet sich eine
ungewöhnliche elektronische Eigenschaften auf sauerstoffdefiziente, perovskitische Lanthankupfer-
wenigen Atomlagen erzwingen. Das Beispiel zeigt die oxidphase aus, die eine elektronisch eigene Zwischen-
atomare Struktur der Grenzfläche (grün hinterlegt) lage darstellt.
Impressum
andererseits auf die Untersuchung festkörper- Herausgeber:
physikalischer Phänomene mit einem Schwer- Forschungszentrum Jülich GmbH
punkt im Bereich der Informationstechnolgie. 52425 Jülich
Diese Arbeiten bilden eine solide Basis für die Internet: www.fz-juelich.de
Entwicklung neuer Konzepte in der Mikro- und
Nanoelektronik. Redaktion und Texte:
Angela Wenzik
Durch Organisation und Ausrichtung von Dr. Karsten Tillmann
Tagungen und Ferienschulen beteiligt sich das Dr. Martina Luysberg
ER-C an der Ausbildung des wissenschaftlichen
Nachwuchses. Beispiele sind der „European Bilder:
Microscopy Congress 2008“ in Aachen oder Forschungszentrum Jülich GmbH
die „IFF-Ferienschule 2007“ in Jülich zum CEOS GmbH, Heidelberg: S. 9 unten
Thema „Probing the Nanoworld“. FEI Company, Eindhoven: S. 11 Mitte
RWTH Aachen: S. 5, S. 12 alle, S. 15 rechts
Die Forschungsgebiete der externen Nutzer
sind vielfältig und reichen von grundlegenden Layout:
Untersuchungen der strukturellen und elektro- aligator-kommunikation GbR, Unkel am Rhein
nischen Eigenschaften innerer Grenzflächen
bis zu Analysen zur Beurteilung von Funktions- Druck:
mechanismen in Bauelementprototypen. Druck & Medienagentur Gehler, Düren
September 2007
Die Direktoren des ER-C:
Prof. Knut Urban (Jülich, links) und
Prof. Joachim Mayer (Aachen, rechts)
Ernst Ruska-Centrum • RWTH Aachen 14 – 15Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen Forschungszentrum Jülich GmbH 52425 Jülich Telefon: 02461 61-4274 Telefax: 02461 61-6444 Internet: www.er-c.org
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