Atomsonden Entwicklungszentrum

Die Atomsondentomographie (engl. "Atom Probe Tomography" - APT) stellt eine einzigartige Mikroskopie-technik dar. Sie ermöglicht die atomgenaue Untersuchung der lokalen chemischen Zusammen-setzung von Materialien mit einer räumlichen Auflösung von weniger als einem Nanometer. Die Ergebnisse der Messungen werden in Form von dreidimensionalen Karten der einzelnen Atompositionen innerhalb des untersuchten nanoskaligen Volumens präsentiert.



Kompetenzzentrum

Der Lehrstuhl in Stuttgart besitzt langjährige Expertise in der Atomsondentomographie. Als eine von nur wenigen Gruppen weltweit konstruieren, bauen und nutzen wir unsere eigenen Geräte und entwickeln die benötigte Software zur Datenanalyse selbst. Für viele Fragestellungen in unseren Forschungsprojekten sind die einzigartigen Möglichkeiten der Atomsondentechnik unerläßlich. Unser bestens ausgestattetes Labor erlaubt uns in der Kombination einer Ionenfeinstrahlanlage (FIB) und hochauflösender korrelativer Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) die gezielte Probenpräparation nach neusten Stand der Technik. 

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Funktionsprinzip

Die in der Atomsonde untersuchten Proben haben die Form von nadelförmigen Spitzen. Aufgrund dieser speziellen Geometrie bildet sich beim Anlegen einer Hochspannung von wenigen Kilovolt ein außergewöhnlich starkes elektrisches Feld in der Größenordnung von 1010 V/m an der Probespitze. Dieses extrem starke Feld bewirkt, dass einzelne Atome an exponierten Stellen der Oberfläche, wie z.B. an Terrassenkanten oder -ecken ionisiert werden. Dieser Prozess der sogenannten  Feldverdampfung kann sehr genau über die angelegte Spannung kontrolliert werden, so dass sich die Atome nacheinander ablösen.

Wesentlich für das Funktionsprinzip der Atom-sonde ist die gezielte Abtragung der Atome von der Probenspitze, die Messung der Ionen mittels eines zwei-dimensionalen positions-empfindlichen Detektors und die Identifikation mittels Flugzeitmassen-spektrometrie.

Das in der Messung verdampfte Probenvolumen kann schließlich am Computer als ein 3D-Modell rekonstruiert werden, wenn die Reihenfolge der Atome ausgewertet und die Trajektorien durch ein einfaches  Projektionsgesetz approximiert werden.

 

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Methode der Wahl für die nanoskalige Materialanalyse

Die Atomsondentechnik erfährt in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit und hat an Verbreitung gewonnen. Mit der Einführung von neuen Instrumenten, die auf dem Prinzip der laserunterstützten Feldverdampfung basieren, war es möglich, die Bandbreite der zu analysierenden Materialen zu vergrößern. So können heute nicht nur leitfähige, sondern auch halbleitende und isolierende Materialien untersucht werden. Dies macht die Atomsonde zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der modernen Materialwissenschaft. Typische Anwendungsfelder sind:

  • das Studium von Feskörperreaktionen (Diffusion, Keimbildung, Phasentransformationen),
  • die Charakterisierung von komplexen Nanostrukturen (z.B. Halbleiterschaltkreise, Nano-Verbindungen),

aber auch

  • die Untersuchung biologischer Materialien / weicher Materie (Selbstorganisierende Schichtstrukturen, Polymere)

 ist seit kurzem möglich.

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