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Kompetenzzentrum
Die Atomsondentomographie (engl. "Atom Probe Tomography" - APT) ermöglicht die atomgenaue Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Materialien mit einer räumlichen Auflösung von weniger als einem Nanometer. Die Ergebnisse der Messungen werden in Form von dreidimensionalen Karten der Atompositionen innerhalb des untersuchten Volumens präsentiert.Die Abteilung für Materialphysik besitzt langjährige Expertise in der Atomsondentomographie. Als eine von nur wenigen Gruppen weltweit konstruieren wir unsere eigenen Geräte und entwickeln die benötigte Software zur Datenanalyse selbst. Materialphysik ist eine wichtige Teildisziplin der Materialwissenschaft. Diese ist eine grundlegende Naturwissenschaft ähnlich wie Physik, Chemie oder Biologie. Leider erfährt man in der Schule eher wenig über dieses aufregende Studienfach mit grundlegender Bedeutung für die technologische Entwicklung (Mehr zu Materialwissenschaft)
Funktionsprinzip Atomsondentomographie
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 und abgelöst 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 Atomsonde ist der kontrollierte Abtrag der Atome von der Probenspitze, die Messung der Ionen mittels eines positionsempfindlichen Detektors und ihre Identifikation mittels Flugzeit-Massenspektrometrie. 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.
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),
Das Team in Stuttgart hat sich besonders auf die Untersuchung von weichen Materialien (Flüssigkeiten, Polymere). fokussiert. Unser Traum ist die vollständige Analyse von biologischen Strukturen (Viren, Organelle, Zellmembranen) mit der Atomsondentomographie. Zur Untersuchung von Flüssigkeiten werden spezielle Cryopräparationsverfahren eingesetzt. Die Flüssigkeit wird möglichst rasch eingefroren, die Probenspitzen dann aus dem verfestigten Material "Eis" mittels Ionenstrahlen herausgeschnitten.
