Fysiker vid HZB har utvecklat en process för att generera förbättrade linser för röntgenmikroskopi som ger både bättre upplösning och högre genomströmning. För att åstadkomma detta, de tillverkar tredimensionell röntgenoptik för volymdiffraktion som består av på chip staplade Fresnel-zonplattor. Dessa tredimensionella nanostrukturer fokuserar infallande röntgenstrålar mycket mer effektivt och möjliggör förbättrad rumslig upplösning under tio nanometer.

I framtiden, denna typ av ny röntgenoptik borde vara tillgänglig för användare vid BESSY II synkrotronkällan. Bland många applikationer, den förbättrade upplösningen tillåter undersökningar av ultrastrukturella egenskaper i biologiska prover samt studier av nanostrukturer i nya batterisystem.

Ljusets våglängd begränsar upplösningen i mikroskopi. Synligt ljus kan lösa strukturer i storleksordningen en kvarts mikron, medan den betydligt kortare våglängden hos röntgenstrålar i princip kan lösa särdrag ner till några nanometer. Dessutom, Röntgenstrålar kan också tränga djupare in i prover, så att inre strukturer hos tredimensionella prover kan undersökas. Dock, även om ljus i det synliga området kan fokuseras med brytande linser gjorda av glas, detta tillvägagångssätt fungerar inte med mjuka röntgenstrålar. För att använda röntgenstrålar för avbildning, det är nödvändigt att använda Fresnel-zonplattor, som är gjorda av koncentriska ringar som består av metaller som nickel eller guld. Dessa metallringar diffrakterar röntgenstrålar så att bidrag från de olika zonerna konstruktivt överlagras vid brännpunkten. Resultatet är att Fresnel-zonplattor fungerar som objektivlinser för att fokusera röntgenstrålar och kan användas i röntgenmikroskop. Den uppnåbara rumsliga upplösningen beror på den minsta ringbredd som kan tillverkas, som hittills har varit cirka tio nanometer.

En förbättring av rumslig upplösning till under tio nanometer ställer till både tekniska och grundläggande fysiska problem. Å ena sidan, det är tekniskt extremt utmanande att tillverka periodiska zonstrukturer med en ringbredd på mindre än tio nanometer och en höjd på några hundra nanometer. Å andra sidan, teoretiska beräkningar tyder på att dessa typer av optik med minskande ringbredd skulle bli allt mer ineffektiva och helt enkelt samla för lite ljus. Detta dilemma kan lösas med hjälp av volymdiffraktion. Dock, tillvägagångssättet kräver zonfunktioner som samtidigt har en ökande lutningsvinkel och en sjunkande zonhöjd kontra radie, dvs tredimensionell strukturerad röntgenoptik. "Teoretiskt sett, fastän, nästan 100 procent av det infallande ljuset kunde användas för bilden, " förklarar Dr. Stephan Werner från Microscopy Research Group vid HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials.

I ett första steg mot tredimensionell röntgenoptik, experterna på HZB har tillverkat tre lager av Fresnel-zonplattor nästan perfekt ovanför varandra. "Vi har utvecklat en process som möjliggör stapling på chip av Fresnel-zonplattor med en precision på mindre än två nanometer, " säger Dr Gerd Schneider, som leder forskningsgruppen för mikroskopi. De första mätningarna visar att denna struktur fångar avsevärt mer ljus för avbildning än konventionella Fresnel-zonplattor. "Om vi ​​lyckas med att placera fem zonplåtslager ovanför varandra, vilket är vårt nästa mål, vi kommer att kunna använda en mångdubbelt högre andel av det infallande röntgenljuset för avbildning än vad som hittills varit tillgängligt, säger Werner.

HZB-teamet rapporterar om utvecklingen av den nya röntgenoptiken i den tekniska tidskriften Nanoforskning . Användare på BESSY II kan snart också dra nytta av detta framsteg. Röntgenmikroskopi är en viktig teknik för ett brett spektrum av forskningsämnen, till exempel inom biovetenskapen för att undersöka cellorganeller, virus, och nanopartiklar i celler, såväl som för materialvetenskap och energiforskning för att studera nya elektrokemiska energilagringsmetoder på plats.