Experimentalphysik/Elektronen- und Ionen-Nanooptik

Zeitaufgelöste Elektronenholographie

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine Schlüsselmethode für das Verständnis von Materialien auf der Nanoskala, da sie Zugang zu strukturellen oder atomaren Ursachen makroskopischer Beobachtungen gewährt. Die Elektronenholografie (EH) vertieft diesen mikroskopischen Einblick noch, da sie die zugehörigen elektrischen und magnetischen Felder mit derselben räumlichen Auflösung direkt misst (vgl. z.B. [1]). Bislang ist die EH auf statische Proben beschränkt. Die Ausweitung auf dynamische Prozesse ist eine Herausforderung, da die zeitliche Auflösung der EH durch die langen Belichtungszeiten (typischerweise im Sekundenbereich) begrenzt ist, die erforderlich sind, um Daten zu erhalten, die deutlich über dem Rauschen liegen. 

Bei reversiblen Prozessen wird diese Hürde in der Regel durch Pump-Probe-Techniken überwunden. Pump-Probe-Messungen periodischer Prozesse erfordern ein zeitliches Gating für das zeitabhängige Signal. In der TEM wird der erforderliche Shutter/Gating entweder durch den Einsatz von schnellen Direktdetektionskameras mit Auslesezeiten pro Bild im Submillisekundenbereich oder durch Ausblenden des Strahls vom Detektor durch transversale elektrische oder magnetische Felder realisiert. Bei Beschleunigungsspannungen im Bereich von 200 - 300 kV verbieten die Transienten, die beim Schalten der erforderlichen hohen Ströme oder Spannungen auftreten, Zeitauflösungen unterhalb des Millisekundenbereichs.

Wir haben einen einfachen, aber vielversprechenden Ansatz für die zeitliche Steuerung entwickelt, indem wir die hohe Empfindlichkeit von Interferenztechniken wie der Elektronenholographie gegenüber kontrollierten instrumentellen Instabilitäten ausnutzen [2]. In einem außeraxialen EH-Aufbau lassen sich kleine Instabilitäten leicht durch eine gegenseitige Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilwellen erzeugen [3]. In einem Proof-of-Concept-Experiment, für das im Wesentlichen nur eine PC-Soundkarte als D/A-Wandler und einige Batterien als Konstantspannungsquelle für das elektronenoptische Biprisma erforderlich waren, haben wir zeitaufgelöste Elektronenholographie in einem unmodifizierten TEM mit kontinuierlicher Beleuchtung realisiert, die die Messung periodisch wechselnder Potentialschwankungen in der Probe mit einer Zeitauflösung im Mikrosekundenbereich ermöglicht.

[1] G. Pozzi, M. Beleggia, T. Kasama, R.E. Dunin-Borkowski, Comptes Rendus Phys. 15 (2014) 126. 

[2] T. Niermann, M. Lehmann, T.Wagner,  Ultramicroscopy 182 (2017) 54–61.

[3] T. Wagner, T. Niermann, D. Berger, M. Lehmann, Proceedings EMC 2016.

Um das einfache Prinzip des "Interference Gating" zu demonstrieren und anderen Wissenschaftlern*innen die Möglichkeit zu geben, das Verfahren ohne großen Aufwand selbst zu testen, wurde eine intuitiv bedienbare Smartphone-App entwickelt, die die notwendigen Steuersignale bereitstellt. Eine bebilderte Anleitung zur Herstellung eines Adapterkabels (aus einem herkömmlichen Kopfhörer) zum Anschluss des Smartphones an das TEM oder Oszilloskop sorgt dafür, dass die Methode von jedermann ausprobiert werden kann. Für weitere Informationen auch zum Download der App wenden Sie sich bitte an Dr. Tolga Wagner.