Onderzoekers van de Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland en andere instellingen in Parijs, Hamburg en Bazel, zijn erin geslaagd een nieuw record te vestigen in röntgenmicroscopie. Met verbeterde diffractieve lenzen en nauwkeurigere monsterpositionering, ze waren in staat om ruimtelijke resolutie te bereiken op de nanometerschaal met één cijfer. Deze nieuwe dimensie in directe beeldvorming kan een belangrijke impuls geven aan het onderzoek naar nanostructuren en de ontwikkeling van zonnecellen en nieuwe vormen van magnetische dataopslag verder bevorderen. De bevindingen zijn nu gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift optiek met de titel "Soft X-ray microscopie met 7 nm resolutie."

Zachte röntgenmicroscopie, die gebruikmaakt van energiezuinige röntgenstralen wordt gebruikt om de eigenschappen van materialen op nanoschaal te onderzoeken. Met deze technologie kan de structuur worden bepaald van organische films die een belangrijke rol spelen bij de ontwikkeling van zonnecellen en batterijen. Het maakt het ook mogelijk om chemische processen of katalytische reacties van deeltjes waar te nemen. De methode maakt het mogelijk om de zogenaamde spindynamica te onderzoeken. Elektronen kunnen niet alleen elektrische lading transporteren, maar hebben ook een interne draairichting, die kunnen worden gebruikt voor nieuwe soorten magnetische gegevensopslag.

Om het onderzoek naar deze processen in de toekomst te verbeteren, onderzoekers moeten kunnen 'inzoomen' op de enkelcijferige nanometerschaal. Dit is theoretisch mogelijk met zachte röntgenstralen, maar tot nu toe was het alleen mogelijk om een ​​ruimtelijke resolutie van minder dan 10 nanometer te bereiken met behulp van indirecte beeldvormingsmethoden die daaropvolgende reconstructie vereisen. "Voor dynamische processen zoals chemische reacties of magnetische deeltjesinteractie, we moeten de structuren direct kunnen bekijken, " legt Prof. Dr. Rainer Fink van de leerstoel Fysische Chemie II bij FAU uit. "Röntgenmicroscopie is hier bijzonder geschikt voor, omdat het flexibeler kan worden gebruikt in magnetische omgevingen dan elektronenmicroscopie, bijvoorbeeld."

Verbeterde scherpstelling en kalibratie

In samenwerking met het Paul Scherrer Instituut en andere instellingen in Parijs, Hamburg, en Bazel, de onderzoekers hebben nu een nieuw record gebroken in röntgenmicroscopie, omdat ze er in verschillende experimenten in zijn geslaagd een recordresolutie van 7 nanometer te bereiken. Dit succes is niet primair gebaseerd op krachtigere bronnen van röntgenstraling, maar op het verbeteren van de focus van de stralen met behulp van diffractieve lenzen en een nauwkeurigere kalibratie van de testmonsters. "We hebben de structuurgrootte van de Fresnel-zoneplaten geoptimaliseerd die worden gebruikt om röntgenstralen te focussen, ", legt Rainer Fink uit. "Bovendien we waren in staat om de monsters in het apparaat met een veel hogere nauwkeurigheid te positioneren en deze nauwkeurigheid te reproduceren." Het is precies deze beperkte positionering en de stabiliteit van het systeem als geheel die tot nu toe een verbetering van de resolutie in directe beeldvorming hebben verhinderd.

Opmerkelijk, deze recordresolutie werd niet alleen bereikt met speciaal ontworpen teststructuren, maar ook in praktische toepassingen. Bijvoorbeeld, de onderzoekers bestudeerden met hun nieuwe optica de magnetische veldoriëntatie van ijzerdeeltjes van 5 tot 20 nanometer. Prof. Fink legt uit:"We gaan ervan uit dat onze resultaten onderzoek naar energiematerialen en nanomagnetisme in het bijzonder zullen stimuleren. De relevante structuurgroottes op dit gebied liggen vaak onder de huidige resolutielimieten."