Hochauflösende Phasenkontrast-Elektronenmikroskopie mit Hilfe einer elektrostatischen Phasenplatte

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Dagmar Gerthsen; Professor Dr. Rasmus R. Schröder
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 25473870

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Schwache Phasenobjekte zeigen in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) unter fokussierten Bedingungen lediglich schwachen oder überhaupt keinen Kontrast. Durch Verwendung einer Phasenplatte (PP), welche eine relative Phasenschiebung zwischen gestreuten und ungestreuten Anteilen der Elektronenwelle induziert, kann der Kontrast verstärkt werden. In den ersten Förderjahren des Projekts wurde die Funktionsweise von elektrostatischen PP demonstriert und mit der Zach-PP ein neues PP-Konzept realisiert, das die Qualität von PP-TEM Abbildungen stark verbessert hat. In der letzten Förderphase des Projekts konnten wesentliche Fortschritte in Herstellung und Anwendung der Zach-PP erzielt werden: • Durch die Optimierung der Herstellung von Zach-PP konnte deren Strukturgröße deutlich verkleinert werden, was zusammen mit der Implementierung einer Heizung nahezu artefaktfreie Abbildungen im Mikroskop erlaubt. • Unsere Experimente zeigen, dass die Zach-PP geeignet ist, schwache Phasenobjekte bis hin zu einer Größe von etwa 15 nm unter fokussierten Bedingungen kontrastreich abzubilden. • Detaillierte Untersuchungen mit der Zach-PP in Kombination mit Energiefilterung zeigen, dass Phasenkontrast auch nach inelastischer Streuung der Elektronenwelle vorhanden ist. • Die erfolgreiche Anwendung der Zach-PP in der hochaufösenden TEM wurde gezeigt. • Die dynamische Bildaufnahme mit präzedierender Strahlkippung zur Minimierung von Abbildungsartefakten wurde realisiert. • Nicht realisiert werden konnten aberrationskorrigierte PP-TEM Abbildungen durch technische Probleme am Zeiss KRONOS. Die Kombination von Aberrationskorrektur und PP erzeugt eine ideale cos-artige Phasenkontrasttransferfunktion, die optimalen Kontrasttransfer über alle Raumfrequenzen bis zum Informationslimit erzeugt. Konzepte, Herstellung und Funktion von elektrostatischen PPn konnten damit enorm weiterentwickelt werden. Insbesondere konnte ein quantitatives Verständnis von PP-TEM Abbildungen erarbeitet werden. Durch konstruktive Einschränkungen („cut-on Frequenz“) gibt es bisher eine Maximalgröße von mit Phasenkontrast abbildbaren Objekten, die im Moment bei 15 nm liegt. Diese Größe ist jedoch für viele biologische Fragestellungen (Moleküle) durchaus ausreichend. Insgesamt ist deshalb eine Anwendung im Bereich hochauflösender Abbildungen vielversprechend, bei denen auch die Option der Variation der Phasenschiebung interessant ist (Objektwellenrekonstruktion). PP-TEM ist jedoch nach wie vor eine aufwändige Technik, die Spezialisten vorbehalten bleibt. In der Zwischenzeit werden Dünnfilm-PP (Volta-PP) angeboten. Jedoch zeigt sich auch bei diesem, scheinbar weniger komplexen PP-Konzept, dass die Anwendung keinesfalls „straightforward“ ist und einen hohen Aufwand bei der Anwendung erfordert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Improving fabrication and application of Zach phase plates for phase-contrast transmission electron microscopy, Microsc. Microanal. 18, 1010 (2012)
  S. Hettler, B. Gamm, M. Dries, N. Frindt, R.R. Schröder, D. Gerthsen
  
• Application of Zach Phase Plates for Phase-Contrast Transmission Electron Microscopy: Status and Future Experiments, Microsc Microanal 20, 214–215 (2014)
  S. Hettler, J. Wagner, M. Dries, M. Oster, R. R. Schröder, D. Gerthsen
  
• In-focus electrostatic Zach phase plate imaging for transmission electron microscopy with tunable phase contrast of frozen-hydrated biological samples, Microsc. Microanal. 20, 175 (2014)
  N. Frindt, M. Oster, S. Hettler, B. Gamm, L. Dieterle, D. Gerthsen, R.R. Schröder
  
• Automatic Zernike phase plate alignment and its use to eliminate cut-on artifacts, MC Göttingen, 2015, IM5.P139 (Poster Prize, Instrumentation)
  M. Oster, R.R. Schröder
  
• Highresolution transmission electron microscopy with Zach phase plate, Microsc Microanal 21, 1581–1582 (2015)
  S. Hettler, M. Dries, T. Schulze, M. Oster, C. Wacker, R. R. Schröder, D. Gerthsen
  
• Multislice algorithms revisited: Solving the Schrödinger equation numerically for imaging with electrons. Ultramicroscopy 151, 211-223 (2015)
  C. Wacker, R.R.Schröder
  
• On the role of inelastic scattering in phase-plate transmission electron microscopy, Ultramicroscopy 155, 27 (2015)
  S. Hettler, J. Wagner, M. Dries, M. Oster, C. Wacker, R. R. Schröder, D. Gerthsen
  
• High-resolution transmission electron microscopy with an electrostatic Zach phase plate, New J. Physics 18 (2016)
  S. Hettler, M. Dries, J. Zeelen, M. Oster, R.R. Schröder, D. Gerthsen
  
• Carbon contamination in scanning transmission electron microscopy and its impact on phase-plate applications, Micron 96, 38 (2017)
  S. Hettler, M. Dries, P. Hermann, M. Obermair, D. Gerthsen, M. Malac