Details ter grootte van een Angstrom in drie dimensies

Vorige maand werd op het Max-Planck-Instituut voor Metaalonderzoek in Stuttgart een nieuw type hoogspannings-elektronenmicroscoop in gebruik genomen. Het instrument is één van een drietal dat gebouwd is door Japanese Electron Optics Laboratory (JEOL). De twee andere exemplaren staan in Japan zelf. Met het nieuwe instrument kunnen in preparaten details ter grootte van 0,1 nanometer (een miljoenste millimeter) worden onderscheiden. Deze prestatie wordt ook geleverd door de Scanning Tunneling Microscoop, maar die neemt alleen het oppervlak van een preparaat waar.

De hoogspannings-elektronenmicroscoop is een transmissie-microscoop. Het preparaat wordt doorstraald met elektronen, die in een elektrisch veld van hoge spanning een grote snelheid hebben gekregen. Met de uittredende bundel wordt dan een sterk vergrote afbeelding van het doorstraalde gebiedje gemaakt. De bundel elektronen kan men ook beschouwen als elektromagnetische golven. Hoe groter de snelheid van de elektronen, des te kleiner de golflengte en des te scherper kan er met de bundel worden waargenomen. Vandaar het streven in het verleden naar steeds hogere spanningen.

In sommige landen stond men echter nogal skeptisch tegenover deze ontwikkeling. In vooral de Verenigde Staten werd gewaarschuwd voor het vergroten van het oplossend vermogen door alléén het verhogen van de versnellingsspanning. De sterk versnelde elektronen zouden in preparaten een te grote schade aanrichten en daardoor het waarnemen van de oorspronkelijke structuur onmogelijk maken. Men vond het zinvoller het oplossend vermogen te verbeteren met andere methoden, zoals door het gebruik van holografische technieken of het verkleinen van de fouten van de magnetische lenzen.

Geen van deze alternatieven heeft echter het stadium bereikt dat routinematig materiaalonderzoek mogelijk maakt. Daarom heeft men in Japan toch voor verdere verhoging van de spanning gekozen. De naam van het nieuwe instrument, ARM 1250 (Atomic Resolution Microscope), wijst er op dat die spanning hier 1250 kilovolt bedraagt. Tijdens de opbouw van het 35 ton zware instrument in Stuttgart werd een door het Duitse instituut ontwikkeld systeem ingebouwd, waarmee de spanning tot op minder dan één volt constant wordt gehouden.

Het instrument zal vooral worden gebruikt voor onderzoek op atomair niveau aan de kristalstructuur van kristallijne stoffen. Dit zullen vooral metalen, halfgeleiders, keramische materialen en complexe materialen als hoge-temperatuur supergeleiders en organo-metaalverbindingen zijn. Direct 'zien' is met de nieuwe microscoop niet mogelijk. De beelden van het instrument bestaan uit interferentiepatronen, waaruit pas na vergelijking met gesimuleerde beelden de gewenste informatie kan worden gehaald. De gesimuleerde beelden worden samengesteld uit de experimenteel bepaalde microscoop-parameters en de kristalstructuur van het materiaal.

Aan de inwijding van het nieuwe instrument in Stuttgart ging een internationale workshop vooraf over 'instrumenten en methoden op de weg naar een hoger oplossend vermogen'. Hierop werden ook de eerste resultaten van de hoogspannings-microscoop getoond. Volgens mededelingen van de Max-Planck-Gesellschaft waren ook de skeptici onder de indruk van de bereikte prestaties. Ook bij een spanning van 1250 kilovolt blijft de stralingsschade in vele materialen zo gering, dat structuren in het groottebereik van 1 ©1Angström kunnen worden waargenomen.

In de komende tijd willen de onderzoekers de processen die zulke beschadigingen veroorzaken in kaart gaan brengen. De resultaten daarvan kunnen dan worden aangewend om, langs omgekeerde weg, de invloed van stralingsschade met behulp van beeldbewerkingstechnieken uit de waarnemeningen te verwijderen. Bij zeer gevoelige materialen (zoals de belangrijke halfgeleider gallium-aluminiumarsenide) moet dit probleem tevens door zeer korte bestralingstijden worden verkleind.