Wasserfenster im Labor
Weichröntgenbildgebung mit Nanometer-Tiefenauflösung unter Verwendung hoher Harmonischer
In seinem NanoMovie-Anwendungslabor bietet MBI Nutzern Femtosekunden (≈10-15 Sekunden) kurze Weichröntgenimpulse, die durch die Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) generiert werden. Die HHG-Strahlung reicht von 100 bis 600 eV und deckt damit insbesondere das gesamte „Wasserfenster” ab, d. h. den Spektralbereich unterhalb der K-Schalen-Absorptionskante von Sauerstoff bei etwa 540 eV (2,3 nm), mit außergewöhnlich hohem Photonenfluss und hoher Stabilität in einer benutzerfreundlichen Umgebung.
Diese einzigartigen Möglichkeiten in einer am MBI entwickelten kombinierten Reflektometrie- und Spektroskopie-Messkammer nutzend, hat ein Team von Forschern aus Thüringen, Sachsen und Berlin einen wichtigen Schritt in Richtung zerstörungsfreier nanoskaliger Bildgebung mit weicher Röntgenstrahlung gemacht. In der in Light: Science & Applications veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher erstmals, dass hohe Harmonische für die Bildgebung im sogenannten Wasserfenster (Wellenlänge ca. 2,3–4,4 nm) genutzt werden können – einem Spektralbereich, der besonders attraktiv ist, da er eine hohe räumliche Auflösung und eine vergleichsweise hohe Eindringtiefe in Verbindung mit einem starken Elementkontrast ermöglicht.
Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein breitbandiges Verfahren namens Soft X-ray Coherence Tomography (SXCT), das von der optischen Kohärenztomographie (OCT) abgeleitet ist, einem in der Medizin verwendeten Standardverfahren zur Darstellung von Tiefenprofilen, z.B. in der Netzhaut des menschlichen Auges. Mit dieser neuartigen Technik mit weichen Röntgenstrahlen untersuchte das Team, wie axiale Tiefenprofile in Reflexion von Festkörper-Heterostrukturen und vergrabenen Grenzflächen gewonnen werden können – die Qualität solcher Strukturen sind in der Materialwissenschaft und in mikroelektronischen Bauelementen von entscheidender Bedeutung.
Bislang galt die HHG-basierte Bildgebung von Strukturen im Nanometerbereich im Wasserfenster als kaum praktikabel, vor allem aufgrund der begrenzten Photonenausbeute bei höheren Energien. Die Proof-of-Principle-Studie an einer Teststruktur aus Aluminiumoxid- und Platinschichten zeigt nun, dass die Kombination einer leistungsstarken, breitbandigen HHG-Quelle (mit einem Photonenfluss von mehr als 10⁶ Photonen/eV/s auf der zu untersuchende Probe) und der bandbreiteneffizienten Kohärenztomographie diese Hürde überwinden kann. Beim SXCT-Ansatz wird die Tiefenauflösung in der axialen Bildgebung durch die Aufzeichnung des Interferenzsignals der weichen Röntgenimpulse erreicht, die von den verschiedenen Grenzflächen innerhalb einer Probe reflektiert werden. Durch die Nutzung der gesamten spektralen Bandbreite der HHG-Quelle zur Beobachtung der Interferenz im Wellenlängenbereich rekonstruierte das Team Tiefenprofile mit einer axialen Auflösung von nur 12 nm in einer zerstörungsfreien Bildgebungsmodalität. Es wurde gezeigt, dass dies dank der Fourier-basierten, lock-in-ähnlichen Rauschunterdrückung des SXCT-Ansatzes sogar für sehr schwach reflektierende Proben mit rauer Oberfläche möglich ist.
Die Ergebnisse sind das Ergebnis einer Zusammenarbeit mehrerer Forschungseinrichtungen, deren Beiträge von der Entwicklung von Laser- und Strahlungsquellen über Tomographie-Methoden bis hin zur Probenvorbereitung und Validierung durch Elektronenmikroskopie reichen. Zu den Partnern zählen unter anderem die Friedrich-Schiller-Universität Jena und das Helmholtz-Institut Jena, das Max-Born-Institut und die TU Berlin, das Laser-Institut der Hochschule Mittweida sowie das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) Jena.
Erläuterung zur Abbildung:
a Schematische Darstellung des experimentellen Konzepts. Die auf der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) basierende Röntgenquelle wird durch intensive Infrarot-Laserpulse (IR) angeregt und emittiert breitbandige weiche Röntgenpulse, die auf die Probe fokussiert werden. Die Interferenz der von den verschiedenen Grenzflächen innerhalb der Probe reflektierten weichen Röntgenpulse führt zu einer Modulation des Röntgenspektrums, das mit einem Spektrometer aufgezeichnet wird und die Rekonstruktion des axialen Tiefenprofils ermöglicht.
b Schematischer Aufbau der Testprobe, bestehend aus Aluminiumoxid (Al2O3)- und Platin (Pt)-Schichten auf einem Zinkoxid (ZnO)-Substrat.
c SXCT-Querschnitt der untersuchten Probe, interpoliert zwischen den rekonstruierten Tiefenprofilen an fünf Positionen (gekennzeichnet durch dieselben Farben wie in Panel b). Das SXCT-Signal zeigt deutlich die Oberfläche der Al2O3-Schicht bei d ≈ 70 nm und ihre zunehmende Höhe entlang der Scanachse (x), die Grenzfläche zwischen Al2O3 und ZnO-Substrat bei d ≈ 0 nm sowie das Auftreten und die Dicke der vergrabenen Pt-Schicht für x ≥ 0.8 mm.
Publikation:
Soft X-ray imaging with coherence tomography in the water window spectral range using high-harmonic generation
Julius Reinhard, Felix Wiesner, Martin Hennecke, Themistoklis Sidiropoulos, Sophia Kaleta, Julian Späthe, Johann Jakob Abel, Martin Wünsche, Gabriele Schmidl, Jonathan Plentz, Uwe Hübner, Katharina Freiberg, Jonathan Apell, Stephanie Lippmann, Matthias Schnürer, Stefan Eisebitt, Gerhard G Paulus, Silvio Fuchshs
Light: Science & Applications 15, 79 (2026). URL, DOI oder PDF
Kontakt:
Max-Born-Institut
für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.
mbi-berlin.de
MBI-Pressemitteilung vom 31.01.2026