Interdisziplinäres Zentrum für Materialwissenschaften
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Projekt:
"Beschaffung eines Niederspannungsrasterelektronenmikroskops"
(Vorhaben ZS/2018/09/94747)

gefördert durch:      

Überblick

Im Rahmen des Projektes wird am interdisziplinären Zentrum für Materialwissenschaften (IZM) der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ein Rasterelektronenmikroskop vom Typ Zeiss Gemini 500 mit besonders hoher Auflösung bei kleinen Beschleunigungsspannungen beschafft. Diese Infrastrukturmaßnahme stärkt das Forschungsprofil der Naturwissenschaften der MLU deutlich. Neben der Verstärkung der vorhandenen Forschungsschwerpunkte hilft das Mikroskop zugleich bei der weiteren Vernetzung und ermöglicht die Bildung zukünftiger Schwerpunkte aus den wissenschaftlichen Stärken der Universität. Zusätzlich ist das Gerät ein notwendiges Hilfsmittel in verschiedenen Bereichen der transferorientierten und anwendungsrelevanten Forschung in verschiedenen Bereichen wie zum Beispiel Physik, Chemie und Pharmazie.
Die Anschaffung des Gerätes wird durch die finanzielle EFRE Schwerpunktförderung im Programm Sachsen-Anhalt WISSENSCHAFT (Schwerpunkte - EFRE IP 1a) ermöglicht.

Gerätebeschreibung

Das zu beschaffende Gerät zeichnet sich durch folgende Ausstattung und besondere Eigenschaften aus:
Es erlaubt Abbildung mit Auflösung von 1-2 nm bei extrem niedrigen Beschleunigungsspannungen (1 kV oder kleiner) und Strömen. Bei 30 kV ist die Auflösung besser als 1 nm. Hierdurch ist es nicht nur möglich, vollständig isolierende Proben ohne zusätzliche Präparation abzubilden. Es erlaubt auch die zerstörungsfreie Abbildung organischer Materialien, die sich normalerweise bei höheren Elektronenenergien und Strömen verändern. Neben verschiedenen Detektoren zur Abbildung wird das Gerät über zwei EDX Detektoren verfügen, die den kompletten Energiebereich von wenigen kV bis zu hohen Energien abdecken. Ein fensterloser EDX-Detektor, der ebenfalls erst seit wenigen Jahren verfügbar ist, erlaubt hierbei nicht nur die Analyse leichter Elemente bei niedrigen Energien sondern er verbessert auch die Ortsauflösung aufgrund des kleinen Anregungsvolumens zu wenigen 10 nm. Zusätzlich verfügt das Gerät über einen Halter für Rastertransmissionselektronenmikroskopie, mit Auflösung unter 1 nm zur schnellen Charakterisierung verschiedener Proben inklusive EDX-Fähigkeit. Hierbei ist das Gerät deutlich einfacher zu bedienen als ein typisches Rastertransmissionselektronenmikroskop. Ein Gerät mit diesen Eigenschaften existiert zurzeit in Halle nicht. Im Folgenden wird im Detail dargestellt, wie das Gerät in Forschung, Anwendung und Schwerpunktbildung eingebunden sein wird.

Liste der beteiligten Wissenschaftler (alphabetisch)

Prof. Wolfgang Binder (Chemie)
Prof. Michael Bron (Chemie)
Prof. Kathrin Dörr (Physik)
Prof. Stefan Ebbinghaus (Chemie)
Prof. Thomas Groth (Pharmazie)
Prof. Thomas Hahn (Chemie)
Prof. Karsten Mäder (Pharmazie)
Prof. Jörg Schilling (Physik)
Prof. Roland Scheer (Physik)
Prof. Georg Schmidt (Physik)
Prof. Thomas Thurn-Albrecht (Physik)

Nutzung und Standort

Im Bereich von Physik und Chemie der MLU gibt es mehrere zentrale Forschungsrichtungen, in denen bereits eine Schwerpunktbildung stattgefunden hat. In der Materialforschung im Bereich der oxidischen Grenzflächen existiert der sehr erfolgreiche Sonderforschungsbereich 762 für Funktionalität oxidischer Grenzflächen, innerhalb dessen eine enge Zusammenarbeit mit Gruppen der Universität Leipzig und des lokalen Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik besteht. Des Weiteren deckt der SFB-Transregio TRR102 (Polymers under Constraints) den Bereich der Polymerphysik und Chemie ab, ebenfalls in Zusammenarbeit mit der Uni Leipzig. Zusätzlich ist hier das Fraunhofer IMWS beteiligt. Der dritte Schwerpunkt liegt in der Photovoltaik, die im Forschungskolleg Struktursolar gefördert wird. Hier sind neben dem Institut für Physik der MLU auch das ZIK SiLiNano sowie Gruppen der Hochschule Anhalt Integriert. Alle drei Forschungsverbünde werden durch das zu beschaffende Gerät gestärkt und die Konkurrenzfähigkeit beim weiteren Einwerben von Drittmitteln erhöht, wie in dieser Skizze dargestellt wird. Außerdem ist gerade der neue SFB/Transregio (TRR227) zusammen mit der FU Berlin zum Thema ultraschnelle Spindynamik von der DFG genehmigt worden (Start 1.1.2018). Diese Strukturen sind zugleich eingebettet in den Forschungsschwerpunkt Nanostrukturierte Materialien. In all diesen Bereichen besteht die Notwendigkeit, Nanostrukturen und Materialien auf der Nanometerskala mit einem Elektronenmikroskop abzubilden und zu analysieren. Die Tatsache, dass es sich bei den Materialien häufig um Polymere und Oxide handelt, bedingt hierbei spezielle Anforderungen an das Mikroskop, die im Folgenden verdeutlicht werden. Neben diesen Forschungsrichtungen, die bereits zu Forschungsverbünden geführt haben, würden außerdem die Bereiche der Pharmazie sowie der biomedizinischen Materialien (zum Beispiel bei polymerbasierten Implantaten) stark von dem zu beschaffenden Gerät profitieren.
Bei der Konzeptionierung der Investition wurde vor allem auf maximale Nutzbarkeit für alle Anwender wert gelegt. Das Gerät soll im interdisziplinären Zentrum für Materialwissenschaften (IZM) aufgestellt werden, in dem ideal geeignete Räume mit niedrigen Vibrationen und elektromagnetischen Störungen zur Verfügung stehen. Das IZM ist seit seiner Gründung als zentrale Stelle für Rasterelektronenmikroskopie für die verschiedenen beteiligten Gruppen etabliert. Dies liegt vor allem daran, dass mit den beiden festangestellten Mitarbeitern Dr. Frank Heyroth und Dr. Frank Syrowatka zwei Operatoren zur Verfügung stehen, die eine jahrzehntelange Erfahrung in der Elektronenmikroskopie haben. Diese beiden Operatoren würden auch in Zukunft dauerhaft für den Betrieb und die Bedienung des Gerätes zur Verfügung stehen, so dass mit einer maximalen Auslastung bei bestmöglichen Ergebnissen gerechnet werden kann. Dies ist insbesondere wichtig, da trotz der mittlerweile einfachen Bedienbarkeit der Geräte die Qualität der Bilder und die notwendige Zeit für die Bildaufnahme oder Analytik stark von der Erfahrung des Nutzers abhängen. Nur mit einem erfahrenen Operator kann ein solches Gerät den größtmöglichen Nutzen bringen.
Das neue Elektronenmikroskop gehört zu einer neuen Generation von Geräten, die höchste Auflösung bei kleinen Beschleunigungsspannungen (<1kV) erlauben. Diese Generation von Geräten ist erst seit wenigen Jahren verfügbar und erweitert die Forschungsmöglichkeiten in den oben genannten Forschungsrichtungen und darüber hinaus. So ist bei Polymeren, die auch in der Pharmazie (zum Beispiel als Träger für Arzneistoffe) oder der biomedizinischen Technik Verwendung finden ein typisches Problem die Aufladung durch den Elektronenstrahl während der Abbildung. Da das Gerät für sehr viele verschiedene Forschungsrichtungen notwendig ist, wird im Folgenden anhand der verschiedenen Hauptnutzer (in alphabetischer Reihenfolge) aufgeführt, welche zukünftige Forschung die Investition ermöglichen würde. Hierbei wird zugleich auf die Kooperationen innerhalb von Forschungsverbünden oder mit Industriepartnern bei der Anwendung eingegangen. Hierbei sollte betont werden, dass neben diesen Hauptnutzern, deren Forschung direkt von dem Großgerät profitieren würde, weitere gelegentliche Nutzer in Halle sind, die auch momentan die SEM-Kapazität des IZM nutzen und von einem höheren Durchsatz und besserer Bildqualität profitieren würden.

Ergebnisplanung

Wie den vorherigen Abschnitten zu entnehmen ist, sind die meisten Nutzer bereits in Großprojekten und/oder Forschungsschwerpunkten organisiert. Die Beschaffung des Elektronenmikroskops erweitert die Möglichkeiten innerhalb dieser Schwerpunkte und erhöht somit auch die Chancen einer weiteren Förderung in Anschlussprojekten. Der SFB762 befindet sich gerade in seiner letzten Förderperiode, für den TRR102 wird diese gerade beantragt. Der TRR227 (Ultraschnelle Spindynamik) ist Anfang 2018 gestartet. Auch dieser SFB würde sehr von dem SEM profitieren, was die Chancen auf weitere Förderperioden erhöhen würde. Diskussionen zu weiteren SFBs laufen bereits. In jedem Fall ist davon auszugehen und hiermit auch sichtbar, dass zukünftige Initiativen auch weiter auf den bestehenden Stärken der Naturwissenschaftlichen Fakultäten aufbauen werden. Das Elektronenmikroskop kann hierbei eine wichtige Rolle spielen, da es zusätzliche Charakterisierungsmöglichkeiten eröffnet und durch seinen Standort im IZM Fakultätsübergreifend zur Verfügung steht. Auch im Bereich der EU- oder BMBF-geförderten Projekte haben die beteiligten Wissenschaftler bereits in der Vergangenheit mehrfach Mittel eingeworben und das neue SEM erhöht ebenfalls die Chancen an der Beteiligung an zukünftigen Aufrufen.

Kooperationen

Die Zusammenarbeiten der beteiligten Wissenschaftler sind vielfältig. Im Folgenden sind eine Reihe von Beispielen für Zusammenarbeiten zwischen den Antragstellern aufgeführt. Es gibt intensive Kooperationen zwischen den Professoren Dörr, Ebbinghaus und Schmidt, die alle am SFB 762 beteiligt sind. Dörr und Ebbinghaus haben sogar ein gemeinsames Teilprojekt. In diesen Zusammenarbeiten werden auch Großgeräte wie gepulste Laserdeposition (Dörr/Schmidt) oder Röntgendiffraktometrie (Dörr) genutzt. Zwischen den Professoren Schilling und Schmidt besteht eine intensive Zusammenarbeit in der Nanostrukturierung von Silizium für photonische Kristalle (Gr0ßgeräte: Elektronenstrahlithographie, Plasmaätzer). Die Kollegen Groth und Mäder wiederum haben ein gemeinsames DFG-Projekt zu Hydrogelen für die Regeneration von Knorpeln und sind beide an der Graduiertenschule Agripoly beteiligt. Die Kollegen Groth und Schmidt, wiederum arbeiten bei der Oberflächenräparation für gezieltes Zellwachstum zusammen. Eine Zusammenarbeit zwischen Schmidt und Scheer besteht in der Entwicklung von Strukturierungsprozessen für Solarzellenrückkontakten (Großgerät : Elektronenstrahllithographie). Bis vor kurzem war Prof. Schmidt auch am von Prof. Scheer geleiteten Forschungskolleg Struktursolar beteiligt. Die Professoren Binder und Thurn-Albrecht wiederum kooperieren innerhalb des SFB/TRR102 im Bereich der Polymerchemie und –physik. Wie der Liste der Projekte zu entnehmen ist (Abschnitt 2), sind die beteiligten Wissenschaftler auch über die hier genannten Zusammenarbeiten zu weiteren Kolleginnen und Kollegen vernetzt mit denen in verschiedensten Bereichen kooperiert wird. Viele der beteiligten Wissenschaftler kooperieren zusätzlich mit dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik und/oder dem Fraunhofer IMWS.


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