Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich

 
Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
Ernst Ruska-Centrum
Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen

                RHEINISCH-
                WESTFÄLISCHE
                TECHNISCHE
                               Forschungszentrum Jülich
                HOCHSCHULE          in der Helmholtz-Gemeinschaft
                AACHEN
Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
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

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Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
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
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STO auf DSO
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                                                 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
Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
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
Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
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
Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
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
Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
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
Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
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
Ernst Ruska-Centrum Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen - Forschungszentrum Jülich
-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-Centrum
Die 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 – 11
dKontakt≈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-Centrum
Neue 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 – 13
Über 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-Centrum
Die 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 – 15
Ernst 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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