Wie dick ist eigentlich dünn?

Was versteht man unter dünnen Schichten? Wie werden sie vermessen? Und welche Rolle spielen sie in der Wissenschaft? Mit diesen Fragen hat sich die 15-jährige Nea Pfaffermayr aus Ismaning als Praktikantin im Physik-Labor des FRM II auseinandergesetzt – und dabei Ergebnisse gewonnen, die für die Wissenschaft einen echten Nutzen haben.

Ein wenig aufgeregt ist Nea Pfaffermayr dann doch, als sie an ihrem ersten Praktikumstag an der Pforte zur Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) steht, mitten auf dem Forschungscampus in Garching. So ganz genau weiß die Zehntklässlerin aus Ismaning da noch nicht, was sie in den nächsten zwei Wochen als Laborpraktikantin erwartet. Aber eins ist klar: spannend wird es bestimmt. Denn einen Blick hinter den Zaun, der das Forschungsgelände des FRM II umgibt, konnte sie bereits einmal werfen, im Rahmen des Mädchen-Machen-Technik Programms der Technischen Universität München. Das war vor vier Jahren. Die Faszination für Forschung hat sie seither nicht mehr losgelassen und ist der Grund für ihr Praktikum am FRM II.

Keine Klischees im Physik-Labor

Physiker Dr. Alexander Book, der Nea während des Praktikums betreut, holt sie an der Pforte ab und führt sie am berühmten „Atom-Ei“ vorbei direkt ins Physik-Labor des MLZ. „Es ist nicht so, wie man es sich vielleicht vorstellt, mit vielen Gläschen und Flüssigkeiten“ beschreibt Nea ihren ersten Eindruck und rückt Klischees gerade. Tatsächlich stehen in dem aufgeräumten Raum viele Bildschirme und Analysegeräte. An einem der größten wird Nea später arbeiten.

Arbeit am Röntgenreflektometer Die Schülerin führt ihre Messungen am Röntgenreflektometer durch. © FRM II / TUM

Die Schülerin führt ihre Messungen am Röntgenreflektometer durch. © FRM II / TUM

Projekt mit echtem wissenschaftlichen Nutzen

Doch vorher erhält sie von Alexander Book, Experte in Sachen Röntgenstrahlung, erst einmal eine Einführung in ihr Praktikumsprojekt: Nea soll eine dünne Platinschicht herstellen und anschließend vermessen. „Wir möchten prüfen, wie gut unsere Beschichtungsanlage funktioniert“, erklärt Alexander Book dazu. Damit hat Neas Projekt einen echten wissenschaftlichen Nutzen, denn die Beschichtungsanalage im Physik-Labor ist weltweit einzigartig und ein gefragtes Gerät in der Forschung: Aufgrund ihrer kompakten und speziellen Bauweise kann sie in einer Neutronen-Beamline aufgestellt werden. Dadurch lassen sich mit der Anlage Proben sogar während einer Neutronenmessung beschichten, was beispielweise für Untersuchungen von Magnetismus sehr interessant ist.

Zungenbrecher und Geduld

Zunächst überzieht Nea mit der Beschichtungsanlage eine zehn mal zehn Zentimeter große Glasplatte mit einer sehr dünnen Platinschicht – Physiker bezeichnen diesen Vorgang auch als Sputtering. Anschließend darf die Schülerin ans Röntgenreflektometer. Hinter dem Zungenbrecher verbirgt sich ein zwei Meter hohes Präszisionsgerät, an dem Nea mit viel Geduld die Messungen durchführt. „Zuerst treffen Röntgenstrahlen aus einer Röhre auf die beschichtete Platte. Dort werden sie in einem bestimmten Winkel reflektiert und treffen auf den Detektor“, erklärt sie fachkundig. Über den Winkel und Intensität der reflektierten Röntgenstrahlen lassen sich schließlich Dicke, Dichte und Rauigkeit der Platinschicht messen.

Poster Die Ergebnisse ihres Praktikumsprojekts stellt Nea auf einem selbst gestalteten Poster vor. © FRM II / TUM

Die Ergebnisse ihres Praktikumsprojekts stellt Nea auf einem selbst gestalteten Poster vor. © FRM II / TUM

Nach mehr als 50 Messungen an unterschiedlichen Positionen auf der Platte und der spannenden Datenauswertung steht das Ergebnis fest: Die dünne Schicht ist 16 – 23 Nanometer dick und sehr homogen. Das bedeutet, dass die Beschichtungsanlage sehr gute Ergebnisse erzielt und ideale Voraussetzungen für Experimente mit Neutronen bietet.

Ein richtig cooles Praktikum

Alexander Book freut sich über das Resultat und lobt seine Praktikantin: „Nea hat sehr selbstständig gearbeitet und unsere Beschichtungsanlage einem erfolgreichen Funktionstest unterzogen“. Dass die Schülerin ihr Praktikum in so guter Erinnerung behalten wird, ist nicht nur dem Projekt selbst, sondern auch der Empathie ihres Betreuers geschuldet. Denn neben dem spannenden Laboralltag wird Nea an die „richtig coolen Mittagspausen“ zurückdenken, die sie mit ihrem Betreuer und seinen Kolleg:innen am Forschungscampus in Garching verbracht hat. Und auch die glänzende platinbeschichtete Platte durfte die Schülerin behalten. Sie steht als Motivation für ein wissenschaftliches Studium bei ihr zuhause und erinnert sie an die tolle Zeit im Physik-Labor.

Weitere Informationen zur Beschichtungsanlage

J. Ye, A. Book, S. Mayr, H. Gabold, F. Meng, H. Schäfferer, R. Need, D. Gilbert, T. Saerbeck, J. Stahn, P. Böni, W. Kreuzpaintner, Design and realization of a sputter deposition system for the in situ and in operando use in polarized neutron reflectometry experiments: Novel capabilities, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 946 (2020). DOI: 10.1016/j.nima.2020.163710

A. Schmehl, T. Mairoser, A. Herrnberger, C. Stephanos, S. Meira, B. Förg, B. Wiedemann, P. Böni, J. Mannhart, W. Kreuzpaintner, Design and realization of a sputter deposition system for the in situ- and in operando-use in polarized neutron reflectometry experiments, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 883, 170-182 (2018). DOI: 10.1016/j.nima.2017.11.086