Vom winzigen Kristall zum Mikrochip der Zukunft

Die Europäische Synchotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble
Forscher des Instituts für Experimentelle Physik (IEP) der TU Bergakademie Freiberg haben einen neuartigen Ansatz zur Strukturbestimmung von Kristallen erarbeitet und können so winzige Atome mit höchster Präzision lokalisieren.

Dies ist gerade für die Materialforschung in der Halbleiterindustrie sowie in der Daten- und elektrochemischen Energiespeicherung von großer Bedeutung. Der innovative Ansatz, den Dr. Carsten Richter in seiner Dissertation erklärt, wurde am 12. Januar 2018 in einer der wichtigsten Wissenschaftszeitschriften – der „Nature Communications"  vorgestellt. 

Zum Einsatz kommen dabei sogenannte Resonante Röntgenbeugungsmethoden. Mit Hilfe der Beugungsseigenschaften des Röntgenlichts können die Freiberger Forscher die Atom-Position mit bisher nicht erreichter Genauigkeit bestimmen. Der neue Ansatz bietet einzigartige Perspektiven zur Untersuchung der Beschaffenheit von kristallinen Festkörpern. Die Erkenntnisse können in Zukunft zum Beispiel bei der Konstruktion von neuartigen Mikrochips hilfreich sein.

Ihren Ansatz haben die Forscher unter anderem an den Synchrotronen des Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und der Europäischen Synchotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble getestet. „Dort konnten wir Messungen weit unter einem Pikometer durchführen. Eine Milliarde Pikometer entsprechen dabei gerade mal einem Milimeter. Damit ermöglicht unser Verfahren eine hochpräzise Analyse der Kristallstruktur“, erklärt Dr. Matthias Zschornak, der die Synchrotronaktivitäten des IEP an der TU Bergakademie Freiberg unter Leitung von Prof. Dirk C. Meyer koordiniert.

Ein Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Elementarteilchen durch starke Magneten auf Kreisbahnen gehalten werden und durch die Ablenkung intensive Röntgenstrahlung aussenden. Es bietet insbesondere eine über einen weiten Spektralbereich präzise einstellbare Strahlungsenergie. In den letzten 30 Jahren wurden weltweit Milliarden in die Entwicklung und den Bau dieser Teilchenbeschleuniger investiert, um in neue Dimensionen der Orts- und Zeitauflösung vorzudringen. Diesem Ziel sind die Forscher nun mit ihrer Arbeit einen weiteren bedeutenden Schritt nähergekommen.

Zur Weiterentwicklung der Methode wurde am IEP im zurückliegenden Jahr das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Projekt REXSuppress gestartet. Neben chemischer Kristallographie stehen vor allem Schwerpunkte der Material- sowie der Geo-, Bio- und Umweltwissenschaften im Fokus der geplanten Forschung. Im derzeit im Bau befindlichen Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung untersuchen Freiberger Physiker künftig auch, wie sich die Strukturen unter hohem Druck und extremen Temperaturen verändern.  

Weitere Informationen

Zum Artikel in der Nature Communications    

Ansprechpartner: 
Dr. Matthias Zschornak, Institut für Experimentelle Physik, Telefon: 03731/39-3333