S(TEM)

header_ph
Hochauflösende Transmissions- Elektronenmikroskopie (HRTEM) ermöglicht es, die atomare Struktur von Nanomaterialien direkt abzubilden und in drei Dimensionen zu rekonstruieren1,2. HRTEM wird hauptsächlich über zwei Abbildungsmodi realisiert: Raster-TEM (STEM), meist im Dunkelfeld-Modus unter Detektion der inkohärenten Streuung (High angle annular dark field, HAADF), und Phasenkontrast. HAADF-STEM erlaubt meist eine direkte Interpretation der Bilder als Projektion des Coulomb-Potenzials der Atomkerne. Für den Phasenkontrast ist dies zwar aufgrund von Aberrationen in der Regel nicht gegeben, jedoch liefert er für leichte Atome ein 20-40fach höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis3. Durch Kopplung von Beugungsinformationen und Bildern kann zusätzlich Information zur internen Struktur der Partikel erhalten werden. Die in unserer Gruppe entwickelte automatisierte Beugungstomografie (ADT) erlaubt dies auch in drei Dimensionen und ohne vorherige Kenntnis der Kristallstruktur4. Aberrationskorrigierte TEM erlauben neben der Abbildung mit Sub-Å-Genauigkeit auch Spektralanalysen von Nanopartikeln, -Clustern und sogar einzelnen Atomen5,6. Dabei werden aus der inelastischen Streuung die charakteristischen Ionisationsenergien der Elemente entweder durch den Energieverlust der Elektronen oder durch die Röntgenemission gemessen. Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen seit kurzem auch die HRTEM und Spektroskopie unter relevanten chemischen Potenzialen („in-situ“) nicht nur durch einstellbare Temperatur oder elektrische Felder am Ort der Probe, sondern auch in gasförmiger7 und flüssiger Umgebung8. Letzteres wird durch Flüssigzellen-Halter realisiert, bei denen wenige 10 nm einer Suspension zwischen zwei ca. 50 nm dicken Membranen aus amorphem Siliziumnitrid in der Vakuumsäule des TEM durchleuchtet werden. Diese Technik liefert eine Ortsauflösung von einigen Nanometern. Eine zeitaufgelöste Abbildung wird durch moderne CMOS-Detektoren mit einer Bildrate von bis zu 100 pro Sekunde ermöglicht. Bei der Kryo-TEM schließlich wird das Objekt in seiner nativen, wässrigen Umgebung durch Vitrifizieren fixiert. Kryo-TEM wird seit Jahren erfolgreich vor allem in der Strukturbiologie angewandt9.

1 Kisielowski, C., Freitag, B., Bischoff, M., Van Lin, H., Lazar, S., Knippels, G., ... & Dahmen, U. (2008). Microscopy and Microanalysis, 14(05), 469-477.
2 Van Aert, S., Batenburg, K. J., Rossell, M. D., Erni, R., & Van Tendeloo, G. (2011). Nature,470(7334), 374-377.
3 Henderson, R. (1995). Quarterly reviews of biophysics, 28(02), 171-193.
4 Mugnaioli, E., Gorelik, T., & Kolb, U. (2009). Ultramicroscopy, 109(6), 758-765.
5 Zhu, Y., Ramasse, Q. M., Brorson, M., Moses, P. G., Hansen, L. P., Kisielowski, C. F., & Helveg, S. (2014). Angewandte Chemie, 126(40), 11003-11003.
6 Ramasse, Q. M., Seabourne, C. R., Kepaptsoglou, D. M., Zan, R., Bangert, U., & Scott, A. J. (2013). Nano letters, 13(10), 4989-4995.
7 Yoshida, H., Kuwauchi, Y., Jinschek, J. R., Sun, K., Tanaka, S., Kohyama, M., ... & Takeda, S. (2012). Science, 335(6066), 317-319.
8 Park, J., Zheng, H., Lee, W. C., Geissler, P. L., Rabani, E., & Alivisatos, A. P. (2012). Acs Nano, 6(3), 2078-2085.
9 Daum, B., Quax, T. E., Sachse, M., Mills, D. J., Reimann, J., Yildiz, Ö., ... & Prangishvili, D. (2014). Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(10), 3829-3834.