Wenn man heute Materialforschung auf Weltniveau betreibt, kommt man mit einem optischen Mikroskop nicht weit. Seit Jahren forscht die TU Wien sehr erfolgreich an neuen Materialien, die in vielen technologischen Bereichen benötigt werden – von Mikroelektronik bis hin zu neuer klimaschutzrelevanter Energietechnologie.

Die TU Wien verfügt über eine eigene Universitäre Serviceeinrichtung für Elektronenmikroskopie (USTEM). „Unterschiedliche Fragestellungen aus der Materialforschung lassen sich mit unterschiedlichen Geräten beantworten“, sagt USTEM-Leiter Prof. Johannes Bernardi. „Je nachdem, welche Materialproben man untersuchen möchte, welche Eigenschaften der Probe man messen möchte, oder ob die Probe vielleicht gezielt bearbeitet werden soll, benötigt man unterschiedliche Technologien. Wir im USTEM arbeiten deshalb Hand in Hand mit Forschungsteams mehrerer Fakultäten, um optimale wissenschaftliche Qualität zu ermöglichen“.

Zu einer Reihe hochmoderner bildgebender Infrastruktur kommt nun ein weiteres Gerät hinzu: Das Helios Hydra UX DualBeam System von ThermoFisher Scientific – eine Kombination aus Rasterelektronenmikroskop und Ionenstrahl-Gerät. Das neue Hybridgerät aus Rasterelektronenmikroskop und Ionenstrahl-Gerät wird in den nächsten Monaten aufgebaut und eingerichtet.

Materialien für die Energiewende

Eine wichtige Rolle wird das neue, vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der TU Wien gemeinsam finanzierte Gerät im Exzellenzcluster MECS – MATERIALS FOR ENERGY CONVERSION AND STORAGE, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster spielen, in dem Prof. Günther Rupprechter gemeinsam mit einem internationalen Team an der TU Wien und an Partnerinstitutionen Materialien für die Energiewende erforscht. Dabei geht es etwa um Katalysatoren, mit denen man Wasserstoff erzeugen und Kohlendioxid aufspalten und somit in wertvolle Produktstoffe umwandeln kann.

Elektronen- und Ionenstrahl in einem

Mit Rasterelektronenmikroskopen lässt sich die Oberflächenstruktur von Proben mit einer Auflösung im Nanometerbereich abbilden. Dabei wird ein präzise fokussierter Strahl von Elektronen auf einen bestimmten Punkt der Probe geschossen. Das kann eine ganze Reihe physikalischer Effekte hervorrufen: Die Elektronen können gestreut werden, sie können weitere Elektronen der Probe von ihrem Platz lösen, sie können beim Zusammenstoß mit der Probe Strahlung erzeugen – all das lässt sich mit geeigneten Detektoren erfassen. Damit kann man nicht nur genau herausfinden, aus welchen Elementen die Probe besteht, sondern auch, in welcher kristallographischen Struktur sie angeordnet sind.

„Das neue Gerät, das bei uns an der TU Wien aufgebaut wird, hat einen solchen Elektronenstrahl. Es bietet zusätzlich aber auch noch die Möglichkeit, mit einem fokussierten Ionenstrahl Materialien gezielt zu bearbeiten – und das auch noch mit ganz unterschiedlichen Ionen. Wir können mit Xenon, Argon, Sauerstoff oder auch Stickstoff arbeiten“, erklärt Bernardi.

Im Gegensatz zum Elektronenstrahl, der die Probe meist nicht verändert, kann der Ionenstrahl Atome der Probe herausschießen und somit die Oberfläche der Probe gezielt manipulieren. „Wir können damit zum Beispiel gezielte Schnitte setzen und nicht nur die obersten Atomlagen der Probe vermessen, sondern auch etwas über darunterliegende Schichten lernen. Dies liefert wichtige Zusatzinformationen zu unseren anderen Charakterisierungsmethoden im COE MECS“, sagt Rupprechter.

Anwendungsgebiete

Das neue System vereint mehrere Vorteile: Der Ionenstrahl hat eine besonders hohe Materialabtragrate, der Elektronenstrahl ermöglicht besonders hohe Auflösung. Durch diese Kombination kann man 3D-Information über feinste Strukturdetails erhalten – und das von deutlich größeren Probenbereichen, als das mit einem gewöhnlichen Gerät möglich wäre.

Das neue Gerät ermöglicht außerdem die Herstellung von ultradünnen Lamellen, die man dann im Transmissions-Elektronenmikroskop untersuchen kann. Wichtig ist auch ein Schleusensystem, das die Untersuchung von Proben ermöglicht, die empfindlich auf Luft reagieren: Mit Hilfe der Schleusen können solche Proben in ein Vakuum eingebracht werden, oder in eine spezielle Atmosphäre aus nicht-reaktivem Gas. Die Anlage ist außerdem mit einer umfassenden Analytik für chemische Röntgenmikroanalyse und für Strukturbestimmungen ausgestattet.

Zur Gewährleistung einer langfristig nachhaltigen Investition ist es wichtig derartige Hochleistungsgeräte auch mit der optimalen Peripherie z.B. Module zur Analytik auszustatten. Der Einsatz dieser Module wird durch Mittel der TU Wien Foundation ermöglicht. „Ich freue mich sehr, dass wir als Stiftung zum Ankauf dieser High-End-Ausstattung einen wirkungsvollen Beitrag gemäß unserem Motto ‚Science for a better world‘ leisten konnten“, so Elfriede Baumann als Vorsitzende des Stiftungsvorstands.

Kontakt

Prof. Johannes Bernardi
USTEM
Technische Universität Wien
+43 1 58801 45210
johannes.bernardi@tuwien.ac.at

Prof. Günther Rupprechter
Institut für Materialchemie | COE MECS Director of Research
Technische Universität Wien
+43 1 58801 16500
guenther.rupprechter@tuwien.ac.at