Ein Forschungsteam aus Jena. Berlin und Mittweida unter Beteiligung von Professor Silvio Fuchs vom Laserinstitut Hochschule Mittweida hat einen bedeutenden Fortschritt in der laborbasierten Bildgebung im weichen Röntgenbereich erzielt. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Nature Fachzeitschrift Light: Science & Applications veröffentlicht. Erstmals gelang die Demonstration einer Soft X ray Coherence Tomography (SXCT) im sogenannten Wasserfenster auf Basis hoher Harmonischer (High Harmonic Generation, HHG) – mit einer axialen Tiefenauflösung von 12 Nanometern und vollständig zerstörungsfrei.
Fokus Forschung: Zerstörungsfreie Tiefenbildgebung im „Wasserfenster“ mit Nanometerauflösung
Fokus Forschung: Zerstörungsfreie Tiefenbildgebung im „Wasserfenster“ mit Nanometerauflösung
Forschung,
Veröffentlichungen
Laserinstitut Hochschule Mittweida an Publikation im Nature-Journal Light: Science & Applications beteiligt
Bedeutung des Wasserfensters für die Röntgenbildgebung
Das Wasserfenster umfasst den spektralen Bereich zwischen den Absorptionskanten von Kohlenstoff (Wellenlänge ≈ 4,4 nm) und Sauerstoff (≈ 2,3 nm). In diesem Wellenlängenbereich bietet weiche Röntgenstrahlung eine einzigartige Kombination aus hoher räumlicher Auflösung, vergleichsweise großer Eindringtiefe – in wässrigen Materialien bis zu etwa 10 µm – sowie ausgeprägtem element- und materialabhängigem Kontrast. Diese Eigenschaften machen das Wasserfenster besonders attraktiv für Anwendungen in der Materialforschung, Nanotechnologie und perspektivisch auch in den Lebenswissenschaften.
SXCT: Kohärenztomografie mit weicher Röntgenstrahlung
Die in der Studie eingesetzte Soft X ray Coherence Tomography ist konzeptionell von der optischen Kohärenztomografie (OCT) abgeleitet, nutzt jedoch weiche Röntgenstrahlung und die volle spektrale Bandbreite der Quelle. Dadurch lassen sich Tiefeninformationen auch bei sehr schwachen Reflexionen zuverlässig rekonstruieren.
Die Fourier basierte Auswertung erweist sich dabei als besonders robust gegenüber Rauscheinflüssen. Als Demonstrator untersuchte das Forschungsteam ein nanoskaliges Schichtsystem aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Platin (Pt). Die mittels SXCT bestimmten Schichtdicken sowie laterale Inhomogenitäten wurden unabhängig durch Ionenstrahlpräparation sowie Raster und Transmissionselektronenmikroskopie (SEM/TEM) validiert und zeigten eine sehr gute Übereinstimmung.
Hochfluss HHG Quelle ermöglicht Laborbetrieb im Wasserfenster
Ein wesentlicher technologischer Schlüssel der Arbeit ist eine breitbandige HHG Quelle aus Berlin, die ein kontinuierliches Spektrum im Energiebereich von 200 bis 600 eV bereitstellt. Im Artikel wird eine Photonenflussdichte von etwa 10⁶ Photonen/eV/s (beispielsweise bei 500 eV) angegeben. Diese hohe Brillanz ist entscheidend, um die bislang als äußerst anspruchsvoll geltende HHG basierte Bildgebung im Wasserfenster erstmals praktikabel im Laborumfeld umzusetzen.
In Kombination mit der rauschresistenten SXCT Methodik eröffnet dies neue Möglichkeiten jenseits großskaliger Synchrotroninfrastrukturen.
Beitrag der Hochschule Mittweida
Die Hochschule Mittweida ist über das Laserinstitut direkt in das Autorenteam eingebunden. Prof. Dr. Silvio Fuchs ist Korrespondenzautor der Publikation und war maßgeblich an Experimentdesign, Methodikentwicklung und Datenauswertung beteiligt. Die Arbeit unterstreicht zugleich die enge und erfolgreiche standortübergreifende Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Laser- und Quellentechnologie über tomografische Rekonstruktionsverfahren bis hin zur materialanalytischen Validierung.
Perspektiven für Materialforschung und Mikroelektronik
Die Autoren sehen die SXCT im Wasserfenster als wichtigen Schritt hin zu einer nicht destruktiven Charakterisierung von Materialien, deren Absorption im extremen Ultraviolett (EUV) zu stark ist. Besonders relevant sind Anwendungen an vergrabenen Grenzflächen, Multischichtsystemen sowie in der Mikro und Nanoelektronik. Die sehr gute Übereinstimmung der SXCT Ergebnisse mit etablierten TEM Messungen zeigt das Potenzial der Methode als komplementäres Analysewerkzeug mit echtem Tiefenzugriff.
Publikation
Julius Reinhard et al.
Soft X ray imaging with coherence tomography in the water window spectral range using high harmonic generation
Light: Science & Applications (2026)
DOI: 10.1038/s41377-025-02057-9
Link zur Publikation: https://www.nature.com/articles/s41377-025-02057-9
Text und Bilder: Prof. Silvio Fuchs