Skarpere billeddannelse ved hjælp af røntgenstråler

Fysikere ved HZB har udviklet en proces til at generere forbedrede linser til røntgenmikroskopi, der giver både bedre opløsning og højere gennemløb. For at opnå dette, de fremstiller tredimensionel røntgenoptik til volumendiffraktion, der består af på chip stablede Fresnel-zoneplader. Disse tredimensionelle nanostrukturer fokuserer de indfaldende røntgenstråler meget mere effektivt og muliggør forbedret rumlig opløsning under ti nanometer.

I fremtiden, denne form for ny røntgenoptik burde være tilgængelig for brugere ved BESSY II synkrotronkilden. Blandt mange applikationer, den forbedrede opløsning tillader undersøgelser af ultrastrukturelle træk i biologiske prøver samt undersøgelser af nanostrukturer i nye batterisystemer.

Lysets bølgelængde begrænser opløsningen i mikroskopi. Synligt lys kan løse strukturer i størrelsesordenen en kvart mikron, mens røntgenstrålers betydeligt kortere bølgelængde i princippet kan løse træk ned til få nanometer. Ud over, Røntgenstråler kan også trænge dybere ind i prøver, så indre strukturer af tredimensionelle prøver kan undersøges. Imidlertid, selvom lys i det synlige område kan fokuseres ved hjælp af refraktive linser lavet af glas, denne tilgang virker ikke med bløde røntgenstråler. For at bruge røntgenstråler til billeddannelse, det er nødvendigt at bruge Fresnel zoneplader, som er lavet af koncentriske ringe sammensat af metaller som nikkel eller guld. Disse metalringe diffrakterer røntgenstråler, så bidrag fra de forskellige zoner er konstruktivt overlejret i brændpunktet. Resultatet er, at Fresnel-zoneplader fungerer som objektive linser til at fokusere røntgenstråler og kan anvendes i røntgenmikroskoper. Den opnåelige rumlige opløsning afhænger af den mindste ringbredde, der kan fremstilles, som indtil nu har været omkring ti nanometer.

En forbedring af den rumlige opløsning til under ti nanometer giver både teknologiske og fundamentale fysiske problemer. På den ene side, det er teknologisk ekstremt udfordrende at fremstille periodiske zonestrukturer med en ringbredde på mindre end ti nanometer og en højde på et par hundrede nanometer. På den anden side, teoretiske beregninger tyder på, at disse typer optik med aftagende ringbredde ville være mere og mere ineffektive og simpelthen ville indsamle for lidt lys. Dette dilemma kan løses ved hjælp af volumendiffraktion. Imidlertid, tilgangen kræver zonefunktioner, der samtidig har en stigende hældningsvinkel og en faldende zonehøjde i forhold til radius, dvs. tredimensionel struktureret røntgenoptik. "Teoretisk set, selvom, næsten 100 procent af det indfaldende lys kunne udnyttes til billedet, " forklarer Dr. Stephan Werner fra Microscopy Research Group ved HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials.

I et første skridt mod tredimensionel røntgenoptik, eksperterne hos HZB har fremstillet tre lag Fresnel-zoneplader næsten perfekt over hinanden. "Vi har udviklet en proces, der muliggør on-chip stabling af Fresnel-zoneplader med en præcision på mindre end to nanometer, " siger Dr. Gerd Schneider, som leder mikroskopiforskningsgruppen. De indledende målinger viser, at denne struktur fanger betydeligt mere lys til billeddannelse end konventionelle Fresnel-zoneplader. "Hvis det lykkes os at placere fem zonepladelag over hinanden, hvilket er vores næste mål, vi vil være i stand til at bruge en mange gange højere brøkdel af det indfaldende røntgenlys til billeddannelse, end det har været tilgængeligt indtil nu, siger Werner.

HZB-teamet rapporterer om udviklingen af ​​den nye røntgenoptik i det tekniske tidsskrift Nano forskning . Brugere hos BESSY II kan også snart drage fordel af dette fremskridt. Røntgenmikroskopi er en vigtig teknik til en bred vifte af forskningsemner, for eksempel i biovidenskaben for at undersøge celleorganeller, vira, og nanopartikler i celler, samt for materialevidenskab og energiforskning for at studere nye elektrokemiske energilagringstilgange in situ.