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Totale Reflexion: Nanostrukturen für Röntgenoptiken

Hightech-Schichten veredeln zwei optische Spiegel für Anwendungen am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY). Nanotechnologen aus Geesthacht liefern die dafür nötigen hochpräzisen Oberflächen.

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Nach der Veredelung: Dr. Michael Störmer entnimmt den neuen Röntgenspiegel aus der Beschichtungsanlage.

Wissenschaftler weltweit nutzen für ihre Experimente unterschiedlichste Formen des Röntgenlichts. Denn dieses Licht dringt durch die meisten Materialien einfach hindurch. Die Forscher erzeugen so Röntgenbilder von einzelnen Molekülen oder atomaren Prozessen. Damit sie die Röntgenstrahlung nutzen können, müssen sie den Strahl von der Quelle an die Experimentierstationen lenken.

Doch wie lässt sich ein Strahl umlenken, der eigentlich alles durchdringt? Die Antwort liefern hochpräzise Spiegel, die am Helmholtz-Zentrum Geesthacht mit Hightech-Schichten veredelt werden.

Wissenschaftler der Abteilung Nanotechnologie haben eine Beschichtungsanlage entwickelt, mit der fast ein Meter lange und zwölf Kilogramm schwere Siliziumsubstrate mit jeweils drei ultradünnen Schichten veredelt werden. Die beiden kürzlich hergestellten, weltweit einmaligen Röntgenspiegel dienen zur Strahlführung am Freie-Elektronen-Laser FLASH II bei DESY in Hamburg.

Keine Toleranz für Abweichungen

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Auf einem Siliziumsubstrat wurden drei Schichten gesputtert: Damit werden Röntgenstrahlen am FLASH II reflektiert.

Die Vorgaben des Auftraggebers waren extrem: Die Schichtdicke von 35 Nanometer des 82 Zentimeter langen Spiegels darf auf der gesamten Länge nur um knapp zwei Nanometer nach oben oder unten abweichen. Umgerechnet würde das bedeuten, ein Schienenstrang auf der rund 90 Kilometer langen Strecke Hamburg-Kiel dürfte sich auf der ganzen Länge nur um 0,2 Millimeter verschieben.

Auf den 82 Zentimetern musste nicht nur eine, sondern drei gleichmäßige Schichten nebeneinander aufgetragen werden. Dazu der HZG-Wissenschaftler Dr. Michael Störmer, der die Beschichtungsanlage entwickelt hat: „Das können weltweit nur sehr wenige Gruppen leisten. Die Schichten und der Spiegel vertragen nahezu keine Toleranz und müssen über die gesamte Spiegellänge absolut plan sein, denn die Strahlen des Röntgenlichts breiten sich parallel und immer geradlinig aus.“

Wenn das Licht mit einem Spiegel umgelenkt wird, muss diese Ausrichtung der Photonen beibehalten werden. Wenn die Spiegeloberfläche nicht vollkommen glatt ist, werden die Lichtwellen verzerrt reflektiert und die erwünschten Eigenschaften des Röntgen-Laserlichtes gehen verloren.

Für die FLASH II Anwendungen besteht die erste Schicht aus dem Metall Nickel, die zweite Schicht daneben ist amorpher Kohlenstoff und die dritte Schicht ist die sehr temperaturstabile Substanz Borkarbid. Diese Materialeigenschaften der Schichten tragen also dazu bei, dass der Spiegel die hohe Intensität der kurzen Röntgenblitze weiter transportiert.

Die Technologie: Auftragen der Schichten

Die Schichten werden in der Anlage im Argon-Vakuum mit der Technologie des Plasma-Sputterns aufgetragen. Das Sputtern (von englisch to sputter = zerstäuben), auch Kathodenstrahlzerstäubung genannt, ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Atome aus einem Festkörper (Target) durch Beschuss mit energiereichen Ionen (vorwiegend Edelgasionen) heraus gestoßen werden und ins Plasma übergehen (aus: Wikipedia). Diese abgetragenen Atome, zum Beispiel von einem Nickel-, Borkarbid- oder Kohlenstoff-Target, breiten sich aus und legen sich als dünne Schicht auf dem gegenüberliegenden Siliziumsubstrat ab. Die Atome kondensieren zu einem festen Film auf dem Substrat und die einzigartige Beschichtung ist vollbracht.

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Heidrun Hillen

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