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Das Auflösungsvermögen eines Lichtmikroskops ist begrenzt. Trotz zahlreicher Verbesserungen und technischer Tricks sind Vergrößerungen über das 2.OOOfache hinaus nicht möglich, weil die Lichtstrahlen zu „grob", zu langwellig sind. Es gilt grundsätzlich: Zwei dicht nebeneinander liegende Punkte lassen sich nicht mehr unterscheiden, wenn ihr Abstand geringer ist als die halbe Lichtwellenlänge.

Auf der Suche nach einem Ausweg blieb nur die Möglichkeit, es mit kurzwelligeren Strahlen zu versuchen, beispielsweise mit Elektronenstrahlen. Mit diesem Problem befaßten sich in den zwanziger und dreißiger Jahren unseres Jahrhunderts zahlreiche Physiker.

Ihre Arbeit führte zur Konstruktion des Elektronenmikroskops mit seinen verschiedenen Abwandlungen, später zum Ionen-, Röntgen- und Lasermikroskop und zum Ultraschallmikroskop. Mit ihrer Hilfe ist es heute möglich, Atome sichtbar zu machen.

Das Elektron ist ein elektrisch negativ geladenes, leichtes Elementarteilchen. Als Baustein der Elektronenhülle des Atoms rast es um den Atomkern wie ein Planet um die Sonne.

Als Träger des elektrischen Stroms in Metallen bewegt es sich ähnlich wie ein Gasmolekül in den Zwischenräumen des Kristallgitters. Durch Hitze oder ein elektrisches Feld kann man Elektronen im Vakuum aus dem Metall austreiben - es entsteht ein Elektronenstrahl, auch als Katodenstrahl bezeichnet, weil diese Strahlung von der negativen Elektrode (Katode) einer Vakuum-Entladungsstrecke ausgeht.

Kam den Elektronen nur die Eigenschaft winziger Teilchen zu? Oder traten sie auch als Welle in Erscheinung, wie es beim Licht der Fall ist?

Mit dieser Frage setzte sich 1923 der 31jährige französische Physiker Louis Victor Prinz von Broglie (Louis de Broglie) auseinander. Er stellte die Theorie auf, daß Elektronen in zwei gleichberechtigten Erscheinungsformen auftreten: als Teilchen und als Materiewelle.

Es gelang wenige Jahre später, die Richtigkeit dieser Theorie de Broglies, der dafür mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, nachzuweisen. Neue Vorstellungen vom Aufbau des Atoms und von der Natur chemischer Bindungen waren die Folge.

Lange vor de Broglie befaßten sich Wissenschaftler mit den Elektronen- oder Katodenstrahlen. Der deutsche Mathematiker und Physiker Julius Plücker (1801-1868) untersuchte mit sogenannten Geißlerschen Röhren den durch das Vakuum fließenden elektrischen Strom und beobachtete dabei Fluoreszenz, eine Eigenschaft verschiedener Stoffe, bei Bestrahlung selbst Strahlung der gleichen oder einer größeren Wellenlänge auszusenden.

Der Ort des Fluoreszenz-Leuchtens verschob sich unter der Wirkung eines Magnetfeldes, also mußten elektrische Ladungen an der Sache beteiligt sein. Das war um das Jahr 1859. Johann Wilhelm Hittorf (1824-1914), ein Schüler Plückers, beschrieb 1869 die magnetische Ablenkbarkeit genauer.

Auf Plücker und Hittorf aufbauend entwickelte Karl Ferdinand Braun (1850-1918) 1897 seine Braunsche Röhre, heute das Herzstück aller Katodenstrahl- Oszillographen, Fernseh- und Radargeräte.

Zu den Physikern, die sich mit der Braunschen Röhre auseinandersetzten, gehörte der in Jüchen bei Grevenbroich geborene Hans Busch (1884-1973), Professor in Jena und Darmstadt. Sein besonderes Augenmerk galt der Konzentrierungsspule der Braunschen Röhre.

Er fand heraus, daß diese Spule Elektronen (und verwandte geladene Teilchen) auf ähnliche Weise beeinflußte, wie es Glaslinsen beim sichtbaren Licht taten. Busch gilt, obwohl er nicht über andere Anwendungsmöglichkeiten der Konzentrierungsspule als bei der Braunschen Röhre nachgedacht zu haben scheint, als der Entdecker der Elektronenlinse.
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Ein 24jähriger Doktorand der Ingenieurwissenschaften lieferte die entscheidenden Ideen für den Bau des ersten Elektronenmikroskops, über das am 4. Juni 1931 in Berlin erstmals vorgetragen wurde.

Ernst August Friedrich Ruska, 1906 in Heidelberg als fünftes von sieben Kindern des Universitätsprofessors Julius Ruska geboren, studierte an den Technischen Hochschulen München und Berlin Elektrotechnik, erwarb bei Brown-Boveri in Mannheim und bei Siemens & Halske in Berlin praktische Kenntnisse und wurde 1928 in das von Professor Adolf Matthias geleitete Hochspannungsinstitut der Technischen Hochschule Berlin aufgenommen.

Hier befaßte er sich vor allem mit Vakuumtechnik und arbeitete an der Entwicklung eines neuen Katodenstrahl-Oszillographen mit. Dabei stieß er auf die 1926 von Hans Busch aufgestellte Theorie über die Wirkung des Spulenmagnetfeldes als Elektronenlinse.

Der experimentellen Nachprüfung dieser Theorie galt seine erste wissenschaftliche Arbeit. Gemeinsam mit Max Knoll (1897-1969) baute Ruska das erste Elektronenmikroskop.

Ihr Versuchsmodell funktionierte, lieferte aber nur Vergrößerungen, die noch lange nicht an die Leistung eines durchschnittlichen Lichtmikroskops heranreichten. Für Ruska wurde die Weiterentwicklung und ständige Verbesserung des Elektronenmikroskops zur Lebensaufgabe.

Er ging 1934 in die Industrie und arbeitete ab 1949 am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin-Dahlem mit, in dessen Rahmen er 1955 Direktor eines selbständigen Instituts für Elektronenmikroskopie wurde.

Überdies lehrte er an der Freien Universität Berlin als Honorarprofessor für Elektronenoptik und ist Mitherausgeber der Zeitschrift Ultrastructure Research.
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Auf dem Weg zur Verbesserung des Elektronenmikroskops gewann Ruska den Physiker Bodo von Borries (1905-1956), einen der Kollegen in der Berliner Arbeitsgruppe von Max Knoll, als Mitarbeiter. Mit ihm ging er später auch zu Siemens, wo das Gerät zur Produktionsreife entwickelt wurde (ab 1938 wurde es in Serie hergestellt).

Von Bodo von Borries gibt es eine Beschreibung des Elektronenmikroskops mit magnetischen Linsen, die auszugsweise zitiert sei:

• „In einem hochevakuierten Gefäß befindet sich eine Glühkatode, aus der Elektronen austreten. Legt man die Katode an eine gegenüber der Anode negative Spannung, so werden die Elektronen durch die Wirkung des elektrischen Feldes zwischen Katode und Anode auf die letztere zu beschleunigt.
• Der Vorgang ist ähnlich wie bei einer Rundfunkröhre. Während hier die Beschleunigungsspannung nur wenige hundert Volt beträgt, liegen beim Elektronenmikroskop zwischen Katode und Anode meist 80.000 Volt, so daß die Geschwindigkeit der Elektronen sehr groß wird; sie liegt bei halber Lichtgeschwindigkeit.
• Wenn in der Anode eine Öffnung angebracht ist, so treten die Elektronen in den dahinterliegenden Raum ein und pflanzen sich hier geradlinig fort, solange das Vakuum besteht und weder elektrische noch magnetische Felder vorhanden sind. Die geradlinige Fortpflanzung ist die erste Voraussetzung, wenn Elektronen optisch genutzt werden sollen.
• Die zweite ist, daß man über Linsen verfügt, mit denen man den Gang der Strahlen in gesetzmäßiger Weise beeinflussen kann. Bestrahlt man nun also ein dünnes Objekt mit Elektronenstrahlen, so dringt je nach der am betreffenden Objektpunkt vorhandenen Massendichte ein Teil der Elektronen durch das Objekt in unveränderter Richtung hindurch, während ein anderer Teil an den Atomen gestreut wird und seine Flugrichtung ändert.
• Die geradlinig hindurchtretenden Elektronen werden von dem sehr kräftigen und kurzen Magnetfeld, das sich zwischen den Polschuhen einer eisengekapselten Spule ausbildet, gebündelt und wieder in einem Punkt, dem Bildpunkt, vereinigt.
• Die abgestreuten Strahlen - und zwar ein um so größerer Anteil der auf treffenden Menge, je dichter das Objektiv an der betreffenden Stelle ist - fallen hinter eine Blende und können daher nicht zur Bilderzeugung beitragen.
• Das Elektronenmikroskop bildet somit die Verteilung der Masse des Objektes ab, während das Lichtmikroskop die Verteilung der Farbe oder des optischen Brechungsindex wiedergibt."

Ende des Zitats.
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Mit den beim Mikroskopieren üblichen Arbeitsmethoden war beim Elektronenmikroskop nur wenig auszurichten. Es mußten ganz neue Methoden entwickelt werden. Weil die meisten Elektronenmikroskope Durchstrahlungsmikroskope sind, müssen die Objekte so präpariert werden, daß die Elektronen sie ohne nennenswerte Energieverluste durchdringen können.

Mit dem Mikrotom des Lichtmikroskops werden z. B. von Zellpräparaten Schnitte in Größenordnungen um 1/200mm Dicke hergestellt. Das Elektronenmikroskop verlangte dünnere Schnitte.

Seit 1952 gibt es das Ultramikrotom mit Schnitten von der Stärke eines hunderttausendstel mm's. Aus einer organischen Zelle kann man damit 500 Scheibchen schneiden. Zuvor muß das Gewebe fixiert und in Kunststoff eingebettet werden.

Weil der Vorschub des Ultramikrotoms mit mechanischen Mitteln kaum noch zu bewerkstelligen ist, ging man zu thermischen Verfahren über, bei denen die Ausdehnung von Metall bei Erwärmung für den Transport um die winzigen mmbruchteile sorgt.
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Metalle und Legierungen werden zunächst mechanisch auf Stärken von 1/10 bis 1/100mm dünngeschliffen, dann elektrolytisch auf 100 bis 300 Millionstel mm (nanometer) poliert. Von Metalloberflächen wie von Oberflächen anderer undurchsichtiger Substanzen kann aber auch ein Oberflächenabdruck hergestellt werden, der aus einem hauchdünnen, ablösbaren Film besteht. Er läßt sich durchstrahlen.

Staubförmige Untersuchungsobjekte, beispielsweise Pulver oder Farbpigmente, kann man auf eine 20 bis 50 Millionstel mm dünne Trägerschicht aufstäuben oder in einer Emulsion eintrocknen lassen.

Bei der Gefrierätztechnik, die für lebende Strukturen entwickelt wurde, wird das Objekt eingefroren, unter Hochvakuum gespalten, durch kurzes Abdampfen freigelegt und dann zur Herstellung eines Oberflächenabdrucks im Vakuum verwendet.

Bakterien hatte man schon im Lichtmikroskop beobachten können. Die Viren, noch gefährlichere Krankheitserreger, blieben dagegen unsichtbar, weil sie bedeutend kleiner sind als Bakterien - bis herunter zu Durchmessern von 25 Millionstel mm, was einer Reihe von 250 Wasserstoffatomen entspricht.

Mit dem Elektronenmikroskop konnten jetzt auch Viren beobachtet und fotografiert werden. Dem Mediziner Helmut Ruska (1908-1973), einem jüngeren Bruder von Ernst Ruska, gelangen schon 1938 Aufnahmen von Viren des Kaninchen-Myxoms, der Mäuse-Ektromelie und der Pokken.

1939 konnten er und seine Mitarbeiter Aufnahmen des Tabakmosaikvirus, Erregers einer Pflanzenkrankheit, herstellen. Unter dem Elektronenstrahl entpuppte es sich als stäbchenförmiger Kristall. Diese Virus-Aufnahme war zugleich das erste Bild eines Makromoleküls.

Weitere Beobachtungen folgten Schlag auf Schlag, so 1941 die Untersuchung der Bakteriophagen (Bakterienfresser). Diese ebenfalls zu den Viren gehörenden Strukturen dringen in Bakterien ein und übernehmen sozusagen das Kommando über den Mikroorganismus, den sie zur Produktion immer neuer Bakteriophagen veranlassen, bis das Bakterium zerstört ist.

Mit dem ersten Siemens-Elektronenmikroskop machten A. Tiselius und S. Gard 1942 Aufnahmen von Kinderlähmungsviren, gitterförmig angeordneten Kügelchen.

Um die winzigen Untersuchungsobjekte besser sichtbar zu machen, entwickelte der amerikanische Kristallograph Ralph Walter Graystone Wyckoff, 1897 in Geneva im Staat New York geboren, eine neue Technik:

Er dampfte einen dünnen Metallüberzug schräg auf das Objekt. Dabei ergab sich im Schatten des Objekts eine metallfreie Zone, die Rückschlüsse auf Form und Größe des Objekts zuließ.

Damit war die Elektronenmikroskopie dreidimensional geworden. Die Wyckoff sehe Auf dampf technik mit Platin oder Gold war überdies die Voraussetzung für den Erfolg der späteren Rasterelektronenmikroskope.
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Bahnbrechend wirkte das Elektronenmikroskop auch auf dem Gebiet der Erforschung des Blutes. Erstmals konnten nun die winzigen Blutplättchen untersucht werden.

Auf metallurgischem Gebiet wurden neue Erkenntnisse gewonnen, ohne die die Raumfahrttechnik so undenkbar gewesen wäre wie gewisse Baustoffe für den Bau von Kernreaktoren.
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Parallel zur Erfindung des Elektronenmikroskops mit magnetischen Linsen von Ruska entstand zu Beginn der dreißiger Jahre das erste mit elektrischen Linsen ausgestattete Elektronenmikroskop.

Dies war jedoch nicht wie das magnetische Gerät ein Durchstrahlungsmikroskop, sondern ein Emissions-Elektronenmikroskop, das die örtliche Verteilung der Elektronenemission auf der Oberfläche einer Glühkathode bei noch niedriger Vergrößerung und Auflösung sichtbar machte.

Es wurde gemeinsam mit Helmut Johannson (1909-1982) konstruiert von dem Physiker Ernst Brüche, der von 1928 bis 1945 das Physikalische Laboratorium am AEG-Forschungsinstitut in Berlin leitete. Das erste Durchstrahlungsmikroskop mit elektrischen Linsen, das das Lichtmikroskop an Auflösungsvermögen übertraf, war 1939 das Werk des 1909 in Münchsmünster in Bayern geborenen Physikers Hans Mahl, der ebenfalls am AEG-Forschungsinstitut gearbeitet hatte und 1954 bei Carl Zeiss in Oberkochen die Leitung der Abteilung Elektronenoptik übernahm.

Mit einem magnetischen Durchstrahlungsmikroskop befaßte sich auch der Elektronenoptiker Manfred Baron von Ardenne, 1907 in Hamburg geboren.

Sein Universal-Elektronenmikroskop kam 1940 heraus. Schon 1937 hatte von Ardenne an der Konstruktion eines Abtastelektronenmikroskops gearbeitet, bei dem das Objekt mit einem Elektronenstrahl von sehr kleinem Querschnitt durchstrahlt und zeilenweise abgetastet wird.

Dieser Strahlquerschnitt wurde durch zweistufige Verkleinerung der Katode mittels magnetischer Polschuhlinsen erzeugt.

Von 1945 bis 1955 baute von Ardenne in Suchumi in der Sowjetunion ein Institut für elektronische Physik auf. Dann wurde er Professor in Dresden und leitet ein nach ihm benanntes Forschungsinstitut. Von ihm stammen auch zahlreiche Erfindungen auf dem Gebiet der Funk- und Fernsehtechnik.

• Anmerkung : Die Person des Herrn M. von Ardenne ist im Westen Europas sehr umstritten, da er sich von den Russen hatte genauso kaufen lassen wie Werner von Braun von den Amerikanern für deren Raketentechnik. Ich habe bisher auch noch kein Buch über Ardenne gefunden, das nicht von ihm selbst stammt.

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In den USA beschäftigte sich vor allem der russisch-amerikanische Physiker Wladimir Kosma Zworykin (1889-1982) mit der Weiterentwicklung der deutschen Erfindungen auf dem Gebiet der Elektronenmikroskopie.

Zworykin, der 1938 bei der amerikanischen RCA die erste praktisch verwendbare Fernsehkamera, das "Iconoscope", erfunden hatte, gelang gemeinsam mit Morton schon während des (2. Welt-) Krieges der Bau eines Mikroskopes, das Vergrößerungen bis zu 25.000:1 zuließ und eine Auflösung von 5 Nanometer (nm) erreichte, d. h. eine 40fach bessere Auflösung als die des besten Lichtmikroskope.

• Anmerkung : Auch hier wurde die amerikanische Fernsehaufnahmeröhre mit "Ikonoskop" anstelle des englischen "Iconoscope" benannt. Da "Iconoscope" der Produktname des Erfinders war, sollte er auch so geschrieben werden.

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Auf etwa dem gleichen Leistungsstand war das Ruska-Mikroskop 1940 bei Siemens in Berlin auch angelangt. 1941 war es möglich, Betriebsspannungen bis zu 220.000 Volt zu verwenden. Die normalen Durchstrahlungs- Elektronenmikroskope begnügen sich heute mit Betriebsspannungen bis zu 150.000 Volt und erreichen über mehrere Zwischenstufen eine 200.000-fache Endvergrößerung.

Dabei lassen sich noch Einzelheiten unterscheiden, die im Präparat drei Zehnmillionstel mm voneinander entfernt sind. Spezielle experimentelle Konstruktionen erhöhen das Auflösungsvermögen unter günstigen Umständen auf ein Zehnmillionstel mm - damit war aber auch die theoretische Grenze des Auflösungsvermögens erreicht, die sich aus der Wellenlänge der Elektronen und der durch den Öffnungsfehler der magnetischen Linse begrenzten Abbildungsapertur ergibt.

Die von Ernst Ruska und Bodo von Borries 1937 begonnene Entwicklung industriell herzustellender Geräte mit Höchstauflösung ist auch heute noch nicht abgeschlossen. Mit modernen Elektronenmikroskopen der Serienfertigung kann man Kristallgitterstrukturen selbst bei kleinstem gegenseitigem Abstand der Gitterebenen auflösen.

Mehr ist auch mit den riesigen Megavolt-Elektronenmikroskopen nicht zu erreichen, die 1970 in Japan und Frankreich aufgestellt wurden. Sie reichen durch mehrere Stockwerke und arbeiten mit Spannungen von drei Millionen Volt, die Elektronen fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen können.
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Beim herkömmlichen Elektronenmikroskop wird das Präparat mit Elektronenstrahlen „durchleuchtet". Beim Abtastmikroskop - auch Rasterelektronenmikroskop (REM) genannt - tastet dagegen ein scharf gebündelter Elektronenstrahl die Oberflächenstruktur eines Objekts Zeile für Zeile ab wie bei einem Fernsehbild.

Vom abtastenden Strahl werden an der Oberfläche des Präparats Sekundärelektronen ausgelöst. In Spannungen verwandelt und verstärkt, können sie durch eine Bildröhre sichtbar gemacht werden. So entsteht ein kontrastreiches, sehr plastisches Bild von großer Tiefenschärfe.

Dabei braucht das Untersuchungsobjekt gar nicht besonders vorbereitet zu werden. Nur bei Substanzen, die den elektrischen Strom nicht leiten, wird ein hauchdünner Film aus Kohle, Gold oder Platin aufgedampft. Dazu gehören z. B. Körpergewebe, Holz, Fasern oder Keramik.

Der Elektronenstrahl wird durch ein elektromagnetisches Objektiv (für hohe Vergrößerungen) oder durch eine integrierte Minilinse (bei niedrigen Vergrößerungen) geformt. Elektromagnetische Ablenksysteme führen ihn zeilenweise über das Bildfeld.

Die Zahl der Bildzeilen läßt sich verändern, sie liegt zwischen 400 und 3.200 Zeilen mit und ohne Zeilensprung. Ebenso sind Raster bis zu 1.000 x 1.000 Bildpunkten möglich.

Die Auflösung beträgt etwa 10 Nanometer, die Vergrößerung ist von 50fach bis hunderttausendfach einstellbar. REM-Geräte sind zwar erst seit etwas über einem Jahrzehnt (wir schreiben 1998) auf dem Markt, haben sich aber auf vielen Gebieten schnell durchgesetzt.

Mit REM untersucht beispielsweise das Bundeskriminalamt haarfeine Kratzer auf Tatwerkzeugen oder winzige Spuren von Pulverschmauch. Mit REM überprüft die Waschmittelindustrie, wie dauerwellenstrapaziertes Haar auf ein neues Waschmittel anspricht. REM erlaubt Medizinern, das Einwandern von Krebszellen in gesundes Gewebe zu beobachten, und gibt Computerherstellern die Möglichkeit, die Kontaktschichten ihrer winzigen integrierten Schaltkreise zu überwachen - deutlich, plastisch und scharf.
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• Anmerkung : Mit einem REM kann man auch die geschliffene Diamantspitze einer Abtastnadel und deren Abnutzung plastisch als Bild darstellen.

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Was der aus Berlin-Dahlem stammende Physiker Erwin Wilhelm Müller (1911-1977) seinen Kollegen auf dem Internationalen Kongreß für Elektronenmikroskopie 1950 in Paris vorführte, war selbst für die Fachleute eine Sensation.

Gerade eben hatten sie noch über elektronenmikroskopische Aufnahmen von Polystyrol-Makromolekülen gestaunt. Nun kam dieser Dr. Müller und projizierte mit einer sehr behelfsmäßig wirkenden Apparatur Bariumatome auf die große Leinwand - die ersten sichtbar gemachten Bausteine der Materie.

Die Erfindung war nicht einmal neu. Müller hatte sie schon 1936 gemacht und Feldelektronenmikroskop genannt. Und sie klang auch ganz einfach. Es handelte sich um einen luftleer gepumpten Glaskolben mit einer Art Schirm (wie bei einem Fernsehgerät) auf der einen Seite.

Ihm gegenüber war eine sehr feine Spitze aus Wolframdraht angebracht. Wenn Erwin Müller zwischen Spitze und Umgebung eine starke elektrische Spannung wirken ließ, kam es besonders im Bereich der Spitze zu einem starken elektrischen Feld. Dabei brachen Elektronen aus der Spitze heraus und warfen, weit auseinandergezogen, ein millionenfach vergrößertes Bild der Spitze auf den Schirm. Wenn man auf die haarfeine Spitze Spuren der Stoffe aufdampfte, deren Bauteile untersucht werden sollten, konnte man auf dem Leuchtschirm die Atome der Stoffe als bewegte Lichtpunkte sehen.

1955 berichtete Müller, inzwischen Professor an der amerikanischen Staatsuniversität von Pennsylvania, erstmals über eine Weiterentwicklung seines Verfahrens.

Diesmal verwendete er positive Ionen, um die Vorgänge an der Spitze auf dem Bildschirm zu zeigen, und kühlte seine Röhre mit flüssigem Helium zur Leistungssteigerung des Geräts, das er Feldionenmikroskop nannte. Heliumionen zeichneten das Bild der Metallspitze auf den Schirm: die Bausteine der Materie in der Ordnung des Kristallgitters, zehnmillionenmal vergrößert.

Einige der Müllerschen Bilder gehören schon heute zum klassischen Bestand der Wissenschaftsgeschichte. Das Verfahren hat sich bewährt. Für eine allgemeine Anwendung sowohl in der Technik, als auch in der Wissenschaft sind beide Mikroskope allerdings zu speziell. Sie erlauben einstweilen nur die Untersuchung einiger schwer schmelzbarer Metalle und Legierungen sowie organischer Großmoleküle.

Besonders nützlich sind beide Supermikroskope bei der Untersuchung der Gasadsorption (also nicht Absorption) und der Fehlstellen in Kristallgittern. Aber was sie zu bieten haben, ist noch immer so sensationell wie bei der ersten Vorführung.
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Mit dem Feldionenmikroskop ist die letzte Stufe der Mikroskopentwicklung noch nicht erreicht. 1975 begann in den USA die Serienproduktion eines Ultraschallmikroskops, das von der Stanford-Universität entwickelt wurde.

Erfinder des akustischen Rastermikroskops waren die Physiker Calvin F. Quate und Ross Lemons vom Department für Physik und elektronische Apparate der Universität.

Das Gerät erzeugt Ultraschallwellen mit Frequenzen zwischen 500 und 1.000 Megahertz (= 500 Millionen bis eine Milliarde Schwingungen in der Sekunde). Das Auflösungsvermögen liegt bei 1/1000 mm, ist also nicht sehr hoch. Dafür erlaubt die Ultraschalltechnik die mikroskopische Untersuchung lebender Zellen.

Die zu untersuchende Probe wird auf einen dünnen Plastikfilm aufgebracht und in Wasser zwischen zwei Saphir-Kristallstäben angeordnet. Einer der Stäbe sendet, der zweite empfängt die Schallwellen. Die Enden der Stäbe sind konkav geschliffen, was den Schallwellenstrahl an der Eintrittsstelle in die Probe auf einen winzigen Punkt zentriert.

Der empfangende Kristallstab nimmt die Impulse nach deren Durchgang durch das zu untersuchende Präparat auf und leitet sie zu einem „Transducer", in dem die je nach der "Absorption"-sfähigkeit des Präparats veränderten Überschallwellen in elektrische Signale zur Sichtbarmachung auf einem Bildschirm umgesetzt werden. Die Probe wird horizontal und vertikal abgetastet.

An der amerikanischen Universität von Michigan wurde 1975 schließlich das erste Lasermikroskop von dem Chemiker Lawrence S. Barteil und seinem Mitarbeiter Charles L. Ritz entwickelt. Es soll 500millionenfache Vergrößerungen erlauben, allerdings nur von bestimmten Atomen und Molekülen.

Das zweistufig arbeitende Gerät ist eine Kombination aus Elektronen- und Lichtmikroskop, wobei das gewöhnliche Mischlicht unterschiedlicher Frequenzen durch Laserlicht ersetzt wird, das in einem Wellenzug schwingt. In der ersten Stufe wird durch extrem kurzwellige Elektronenstrahlen ein Hologramm erzeugt. In der zweiten Stufe tasten Laserstrahlen dieses Hologramm ab und liefern eine stark vergrößerte Abbildung des Objekts.

Beim Laserscan-Mikroskop tasten Laserstrahlen das Objekt zeilenweise ab. Ein Bildschirm macht die Bildpunkte sichtbar. Die Abtastsignale können digitalisiert und dann von einem Computer weiterverarbeitet werden.
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Als Spezialmikroskop für die Untersuchung der Oberflächen von Metallen und Halbleitern erfanden vier Mitarbeiter des IBM-Forschungslabors in Rüschlikon bei Zürich, die Physiker Gerd Binnig und Heinrich Rohrer und die Techniker Christoph Gerber und Edmund Weibel, das Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM).

Sie gingen dabei von einer Untersuchung des sogenannten Tunneleffektes aus. Er tritt beispielsweise bei elektrischen Schaltern auf, deren Metallkontakte im allgemeinen von einer hauchdünnen Oxidschicht überzogen sind. Wird der Schalter betätigt, fließt trotz dieser isolierenden Schicht Strom, falls die Schicht
Feldionenbild eines Wolframkristalls dünn genug ist.

Den Elektronen gelingt es in diesem Fall zwar nicht, die Oxidschicht wie einen Berg zu überspringen, sie können diesen Berg aber „durchtunneln". Deshalb spricht man von Tunneleffekt.

Gerd Binnig und Heinrich Rohrer erhielten für die Entwicklung des RTM den Physik-Nobelpreis. Die Forschungsgruppe wies nach, daß dieser Effekt auch zu beobachten ist, wenn zwischen den beiden Kontakten ein winziger Zwischenraum eingehalten wird - in Größenordnungen von etwa einem Millionstel mm (nm). Daraus entstand die Idee des Raster-Tunnel-Mikroskops.

Einer der beiden Kontakte, eine fein zugeschliffene Spitze eines Wolframstiftes, wird in diesem Abstand über die Probe gefahren und tastet deren Oberfläche rasterähnlich mit Quer- und Längsbewegungen ab. Dank eines raffinierten Mikroantriebs mit Piezokristallen, die ihre Länge je nach angelegter Spannung minimal ändern, hält die Spitze immer den gleichen Abstand zur Probe ein. Kontrolliert wird der Abstand durch den gemessenen Tunnelstrom.

Abgenommen und aufgezeichnet wird die Nadelbewegung durch Messen der Spannungen an den Piezokristallen, deren Längenänderungen dadurch definiert sind. Das klingt sehr theoretisch, läßt aber interessante Ausblicke zu. Denn das RTM kann noch Unebenheiten an Metalloberflächen sichtbar machen, die kleiner sind als der Durchmesser eines Atoms.

Anders ausgedrückt: Das Auflösungsvermögen des Supermikroskops für feinste Strukturen an Oberflächen ist ungefähr hundertmal besser als das eines Elektronenmikroskops. Metallurgie und Chemie erhoffen sich vom RTM wichtige Aufschlüsse über Oberflächenprozesse wie die Oxidation (was passiert, wenn Eisen rostet?) und Adsorption.

Außerdem wird es schon als Mikrowerkzeug benutzt: Die Sondenspitze wird an eine exakt definierte Stelle gebracht und eine Spannung angelegt, mit der Moleküle gespalten oder deren elektronische Eigenschaften verändert werden können.

Die Anwendung des RTM unterliegt allerdings einer Einschränkung, die sich aus seiner Arbeitsweise ergibt. Man kann es nur bei Proben anwenden, die den elektrischen Strom leiten.

Das RTM war der erste Vertreter einer ganzen Familie von hochauflösenden Mikroskopen, die alle erst durch die präzise Steuerung der piezoelektrischen Stellelemente technisch realisierbar waren.

1985 wurde von Binnig und Calvin F. Quate von der Stanford Universität in Kalifornien und Christoph Gerber vom IBM-Forschungslabor Zürich eine neue Art des RTM vorgestellt.

Es wurde als "Abstoßungskraft-Mikroskop AFM" (atomic force microscope) bezeichnet. Dieses neue Mikroskop benötigte keine leitenden Proben mehr. Es rasterte mittels eines dünnen Diamantsplitters, der an einer feinen Metallzunge angebracht war, die Oberfläche der Probe ab.

Hierbei wurde nun die Kraft gemessen, die bei der Auf- und Abbewegung der Metallzunge entsteht, wenn die Elektronenwolken der Atome der Sondenspitzen sich mit denen der Probenoberfläche überlappen. Bei dieser Art des Abrasterns, funktional ähnlich dem eines Plattenspielers, benötigte man keinen Tunnelstrom mehr.

Vom Raster-Sonden-Mikroskop wurden in der Folgezeit noch einige Abkömmlinge entwickelt, so zum Beispiel das Laser-Kraftmikroskop, das zur Überprüfung der Güte von mikroelektronischen Bauteilen eingesetzt werden konnte. Es wurde von Yves Martin, Clayton C. Williams und Kumar Wickramasinghe entwickelt. Das Mikroskop war in der Lage, Strukturen in der Größenordnung von 5 Nanometern aufzulösen.

Ein weiteres hochauflösendes Gerät war das Raster-Wärmemikroskop, das ebenfalls von C. C. Williams und H. K. Wickramasinghe entwickelt wurde. Dieses Mikroskop konnte Änderungen von Oberflächentemperaturen mit einer Genauigkeit von einem zehntausendstel Grad messen und dies bei einem Auflösungsvermögen von wenigen Dutzend Nanometern.
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