Elektronenmikroskop
Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, das das Innere oder die Oberfläche einer Probe mit Elektronen abbilden kann.
Da schnelle Elektronen eine sehr viel kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht haben (→Materiewellen) und die Auflösung eines Mikroskops durch die Wellenlänge begrenzt ist, kann mit einem Elektronenmikroskop eine deutlich höhere Auflösung (derzeit etwa 0,1 nm) erreicht werden als mit einem Lichtmikroskop (etwa 0,2 µm). Während bei optischen Mikroskopen die Auflösung tatsächlich nahezu die von der Lichtwellenlänge gesetzte physikalische Grenze erreicht, verschlechtern bei Elektronenmikroskopen die Aberrationen der elektronenoptischen Bauteile die nutzbare Auflösung um etwa zwei Größenordnungen gegenüber der Elektronenwellenlänge, die für 100keV Elektronenenergie etwa 0.0037 nm beträgt.
Bei der Interpretation der mit Elektronenmikroskopen erhaltenen Daten, besonders Abbildungen, muß immer berücksichtigt werden, wie die Signale entstehen, um keine fehlerhaften Schlüsse zu ziehen.
Betriebsarten
Elektronenmikroskope lassen nach zwei grundsätzlichen Gesichtspunkten einteilen.
Der erste ist die Art der Bilderzeugung: Rasterelektronenmikroskope erzeugen mit einem elektronenoptischen System elektromagnetischer und elektrostatischer Linsen einen feinen Elektronenstrahl auf der Probe, der zeilenweise über den zu untersuchenden rechteckigen Probenbereich geführt ("gerastert") wird. Das Bild kommt dabei durch die synchrone Registrierung eines charakteristischen Signals zustande. Ruhebildmikroskope bestrahlen einen Probenbereich mit einem feststehenden, breiten Elektronenstrahl. Das Bild wird hier erzeugt, indem ein Teil der von der Probe ausgehenden Elektronen durch ein elektronenoptisches System zur Abbildung gebracht wird.
Die zweite Einteilungsmöglichkeit bezieht sich auf die Geometrie des Experiments. In Transmission wird gearbeitet, wenn die schnellen Strahlelektronen nach Durchgang durch die Probe registriert werden, wobei in der Regel nur sehr kleine Streuwinkel erfaßt werden. Für das Gegenteil, die Registrierung von Elektronen, die in sehr großen Winkeln zum einfallenden Elektronenstrahl austreten, gibt es keinen feststehenden Begriff, in der folgenden Tabelle, die die gegebne Einteilung verdeutlicht, steht dafür o.B.d.A. Rückstreuung.
| Ruhebild-EM | Raster-EM | |
| Transmission | TEM | STEM |
| Rückstreuung | Reflexionsmikroskop | REM (engl. SEM) |
Die nach der Anzahl von installierten Geräten häufigsten Elektronenmikroskope sind die REM, gefolgt von TEM. Noch weniger findet man STEM, wobei aber häufig der STEM-Modus als Betriebsart in TEM möglich ist, reine STEM-Geräte (engl. "dedicated STEM") sind ausgesprochen selten. Reflexionsmikroskope sind nach Wissen des Autors nur als Laboraufbauten in einigen Instituten zu finden, aber nicht kommerziell erhältlich. Die Reflexionsmikroskopie, d.h. elektronenoptische Abbildung von Oberflächen, wird z.B. bei Kurzzeitexperimenten, bei denen der Elektronenstrahl nur für sehr kurze Zeiten zur verfügung steht, eingesetzt; die kurze Zeitspanne würde nicht ausreichen, das Bildfeld in einer Weise wie beim REM mit einem Elektronenstrahl abzufahren.
Rasterelektronenmikroskop
Beim Rasterelektronenmikroskop (REM) (oder engl. SEM, Scanning electron microscopy/microscope) wird ein feiner Elektronenstrahl über die üblicherweise massive Probe gerastert. Dabei aus der Probe wieder austretende oder rückgestreute Elektronen werden anschließend detektiert und steuern den zeitgleichen Helligkeitswert des auf einem Monitor zusammengesetzten Bildes.
Die wichtigsten im REM zur Abbildung der Probenoberfläche genutzten Signale sind Sekundärelektronen (SE) und Rückstreuelektronen (BE oder BSE vom engl. Back Scattered Electrons). Das Kathodolumineszenz (KL)-Signal (oder CL vom engl. cathodoluminescence) ist von untergeordneter Bedeutung und wird nur in speziellen Untersuchungen angewandt.
Bei den SE handelt es sich um niederenergetische Elektronen, welche durch den Primärelektronenbeschuß freigesetzt werden. Damit ist eine sehr hohe Auflösung möglich. Sie werden durch eine Saugspannung in Richtung des Detektors beschleunigt und erzeugen dort eine ihrer Menge entsprechende Anzahl von Impulsen. Je nach Positionierung des Detektors in der Probenkammer wird ein unterschiedliches Bild erzeugt. Der Standard SE-Detektor ist seitlich über der Probe angebracht und liefert ein sehr natürliches, räumlich wirkendes Bild, weil die dem Detektor zugewandte Seite heller ist, als die Abgewandte. Früher nannte man ein REM, dass nur in dieser Betriebsart arbeitete Sekundärelektronenmikroskop. Ein weiterer bei modernen REM vorhandener SE-Detektor ist der sogenannte "Inlens"-Detektor, der ringförmig oberhalb der Probe im Inneren der "Säule" angebracht ist. Er ermöglicht aufgrund des sehr geringen Arbeitsabstands sehr hoch aufgelöste Bilder (wenige nm) bei geringen Beschleunigungsspannungen des Primärstrahls (einige 100 V).
Die BE oder BSE sind Elektronen aus dem Primärstrahl, die an den getroffenen Atomkernen der Probenoberfläche elastisch reflektiert werden. Die Energie der Elektronen liegt dabei im Bereich der eingestrahlten Primärelektronen, die Bildauflösung liegt je nach Primärenergie im Mikrometerbereich. Der BSE-Detektor ist in der Regel als 4-Quadranten Halbleiter-Detektor direkt oberhalb der Probe platziert. Abhängig von der Beschaltung der Halbleiterkristalle erhält man unterschiedliche Topographiekontraste, wobei tiefliegende Bereiche des Objekts dunkel erscheinen. Die Eigenschaft, dass schwere Elemente die Elektronen stärker reflektieren, als Leichte, macht man sich mit dem sogenannten Z-Kontrast (Z = Ordnungszahl] der Elemente) zunutze. So lässt die Helligkeit des Bildbereichs Rückschlüsse auf die chemische Natur der Probenoberfläche zu.
Als KL bezeichnet man die durch Elektronenbeschuss ausgelöste Lumineszenz der Probenoberfläche. Das KL-Signal, d.h. das sichtbare Licht, wird über spezielle Spiegel und Lichtleiter aus der Probenkammer herausgeführt, mittels Monochromator spektral zerlegt und über einen Photomultiplier oder einen CCD-Detektor detektiert.
Eine weitere, derzeit stark an Bedeutung gewinnende Untersuchungsmethode am REM, die jedoch nicht die Probenoberfläche abbildet, ist das EBSD-Verfahren (vom engl. Electron Back Scatter Diffraction). Mit Hilfe von EBSD kann man die kristallographische Orientierung von Kristallen an der Probenoberfläche bestimmen. Dies ist z.B. zur Charakterisierung von Materialeigenschaften in der Metallurgie und Geologie von großer Bedeutung. Hierzu werden die von den Kristallflächen der Probe reflektierten Elektronen auf einen Detektorschirm projiziert und die so entstehenden "Kikuchi-Linien" mit Hilfe eines Computers analysiert und kristallographischen Richtungen zugeordnet.
Die Elektronenmikrosonde ist ein spezielles Rasterelektronenmikroskop, das darauf optimiert ist chemische Analysen an Oberflächen im µm-Bereich durchzuführen. Hier kommt das wellenlängendispersive (WDX) oder das energiedispersive (EDX) Röntgenanalyse-Verfahren zur Anwendung.
Ein ESEM (vom engl. Environmental Scanning Electron Microscope) erlaubt es, mit einem relativ hohen Gas-Druck (einige Dutzend mbar) in Probennähe zu arbeiten. Dadurch ist es möglich, auch feuchte Proben (z.B. lebende Zellen oder wachsende Kristalle) zu untersuchen.
Transmissionselektronenmikroskop
Beim Transmissionselektronenmikroskop (TEM) durchstrahlen die Elektronen das Probenmaterial, das zu diesem Zweck entsprechend dünn sein muss. Je nach Ordnungszahl der Atome, aus denen die Probe besteht, der Höhe der Beschleunigungsspannung und der gewünschten Auflösung kann die sinnvolle Probendicke von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern reichen. Je höher die Ordnungszahl und je niedriger die Beschleunigungsspannung sind, desto dünner muss die Probe sein.
Wird der Primärelektronenstrahl über die Probe gerastert, und die durchgelassenen Elektronen detektiert und einem Punkt auf der Probenoberfläche zugeordnet, so bezeichnet man dieses Verfahren als Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM vom engl. Scanning Transmission Electron Microscope).
Durch eine Änderung des Projektiv-Linsensystems kann anstatt des Zwischenbildes auch die Fokusebene der Objektiv-Linse vergrößert abgebildet werden (siehe Abbildung). Man erhält so wie beim EBSD-Verfahren im REM ein Elektronenbeugungsbild mit dessen Hilfe sich die Kristallstruktur der Probe bestimmen lässt.
Das Transmissionselektronenmikroskop kann sinnvoll mit verschiedenen Analysemethoden erweitert werden, besonders verbreitet sind Energiedispersive Röntgenanalyse (EDA, engl. Energy-Dispersive X-ray Analysis, EDX) sowie Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (engl. Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS). Beide Verfahren können zur Bestimmung der Konzentration und Verteilung chemischer Elemente in der Probe benutzt werden, wobei auch hier die kleinen erzielbaren Durchmesser des Elektronenstrahls prinzipiell die Untersuchung sehr kleiner Probenbereiche gestattet. Man spricht beim Einsatz dieser Methoden oft von analytischer Transmissionselektronenmikroskopie.
Eine Weiterentwicklung der Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie-Verfahren im TEM stellt die Energiegefilterte Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM) dar, bei der meist Bilder aus inelastisch gestreuten Elektronen bestimmter, charakteristischer Energien aufgezeichnet werden. Damit kann die Verteilung von chemischen Elementen im Bildfeld oft sehr schnell und effektiv bestimmt werden. Analog dazu können auch energiegefilterte Elektronenbeugungsbilder aufgenommen werden.
Elektronenquellen
Transmissions- und Rasterelektronenmikroskope lassen sich auch aufgrund der Art ihrer Elektronenquellen unterscheiden:
Haarnadelkathode
Die meisten Geräte besitzen eine Glühkathode (Filament) aus einer Wolframlegierung. Diese Kathoden - wegen ihrer Form auch Haarnadelkathoden genannt - sind relativ preiswert, einfach zu handhaben und liefern einen hohen Strahlstrom, der z.B. für WDX- und EDX-Analysen (siehe oben) nötig ist. Ein Nachteil der Haarnadelkathode ist, dass sie keine punktförmige Elektronenquelle ermöglicht, wodurch auch die Auflösung eingeschränkt wird. Ferner ist diese Elektronenquelle relativ Wartungsintensiv, da das Filament bei Gebrauch immer dünner wird und schließlich bricht und ersetzt werden muss. Die Lebensdauer eines Filaments beträgt einige Wochen.
Feldemitter-Kathode
Moderne Feldemissionselektronenmikroskope (FEM) kommen für höchste Auflösungen zum Einsatz. Hier werden in der Feldemitter-Kathode durch eine hohe Spannung Elektronen aus einer feinen monokristallinen Nadelspitze herausgezogen und in Richtung Anode beschleunigt. Der Vorteil dieser "kalten Kathode" ist ein sehr dünner Primärstrahl, der Nachteil ist der relativ geringe Strahlstrom.
Das ursprüngliche "Feldemissionsmikroskop" ist eine einfache Form eines Elektronenmikroskops, welches auf der bei sehr hohen Feldstärken stattfindenden Feldemission von Elektronen aus einer monokristallinen, feinen, nadelförmigen Probe beruht. Hiermit läßt sich die atomare Struktur der Probe als Projektion der daraus emittierten Elektronen auf einem Szintillatorschirm sichtbar machen. Es wurde von Erwin Wilhelm Müller erfunden.
Schottky-Feldemitter-Kathode
Seit Anfang der neunziger Jahre sind immer häufiger Feldemissions-Rasterelektronenmikroskope (FESEM vom engl. Field Emission Scanning Electron Microscope) und Transmissionselektronenmikroskope mit Schottky-Feldemitter anzutreffen. Diese stellen einen sinnvollen Kompromiß zwischen hoher Elektronenausbeute einer Glühkathode und Feinheit des Elektronenstrahls der Feldemitter-Kathode dar. Das Resultat ist ein universell einsetzbares Elektronenmikroskop, das sowohl sehr hohe Auflösungen, als auch sehr gute Analysefähigkeiten besitzt. Die Parameter des Elektronenstrahls sind bei diesem Kathodentyp über lange Zeiträume konstant, was der Qualität von Langzeit-Untersuchungen sehr zugute kommt. Ein Nachteil ist der relativ hohe Preis, der jedoch durch die hohe Lebensdauer von 1,5-2 Jahren wieder kompensiert wird.
Probenaufbereitung
Nichtleitende Proben müssen besonders im Rasterelektronenmikroskop (REM) zur Verhinderung einer elektrostatischen Aufladung mit einer dünnen leitenden Schicht versehen werden. Dieses wird normalerweise durch Plasmabeschichten in einem Sputter-Gerät oder Bedampfung mit Kohlenstoff erreicht.
Für die Transmissionselektronenmikroskopie müssen die Proben in unterschiedlichen Verfahren auf max. 1 µm Dicke gebracht werden. Sehr gebräuchlich ist das Ionenätzverfahren, bei dem die Probe durch einen Ionenstrahl erodiert wird.
Nachteile
Die aufwändige Vorbereitung der Proben kann zu Artefakten führen - Strukturen, die nur durch die Vorbereitung entstanden sind, und nichts mit dem eigentlichen Objekt zu tun haben, was die Auswertung der Bilder erschwert. Darüber hinaus können im TEM die Materialeigenschaften von denen kompakter Proben abweichen, durch den überproportionalen Anteil oberflächennaher Bereiche am Analytvolumen. Ein weiteres Problem ist die Schädigung der Proben durch den Elektronenstrahl, beispielsweise durch Erwärmung oder Wegstoßen ganzer Atome nach Kollision mit den schnellen Elektronen, aber auch Einschuss von Fremdatomen aus dem Vakuum in die Probe.
Als weiterer Nachteil können die sehr hohen Anschaffungs- und Unterhaltskosten für Elektronenmikroskope angesehen werden, die es Privatfirmen oft nicht erlauben, eigene Geräte zu betreiben. Daher sind Elektronenmikroskope überwiegend in Forschungsinstituten und in Dienstleistungs-Firmen anzutreffen.
Geschichte
Die erste auf magnetischen Kräften beruhende Linse wurde 1926 von Hans Busch entwickelt. Als erstes Elektronenmikroskop wurde 1931 ein TEM von Ernst Ruska und Max Knoll gebaut, wenngleich zunächst keine elektronentransparenten Proben, sondern testweise kleine Metallgitter abgebildet wurden. Für diese Arbeit erhielt Ruska 1986 den Physik-Nobelpreis. Er entwickelte auch bei Siemens 1938 das erste kommerzielle Elektronenmikroskop.
Die Kontrastierung biologischer Proben mit Osmiumsäure schlug Ladislaus Marton 1934 vor. Das erste STEM wurde 1937 von Manfred von Ardenne gebaut.
Während in den frühen Jahren die Aufklärung der im Lichtmikroskop 1 unsichtbaren Krankheitserreger (Viren) eine bedeutende Triebfeder für die Entwicklung des Elektronenmikroskops war, erweiterte sich das Interesse später besonders auf die Materialwissenschaft, nachdem Robert D. Heidenreich 1949 die Präparation dünner durchstrahlbarer Metallfolien gelang.
In den 1960er Jahren entwickelte man TEMs mit immer höherer Beschleunigungsspannung (bis zu 3 MV, um 1965 in Toulouse, 1970 in Ōsaka), vor allem um dickere Proben durchstrahlen zu können. In diesem Jahrzehnt wurde auch erstmals atomare Auflösung erreicht.
Ende der 1960er führte Albert Crewe den Feldemitter für STEM ein und verhalf dieser Technik damit erst zu ihrer Bedeutung.
Ende der 1980er Jahre wurde das ESEM entwickelt.
Seit Ende der 1980er Jahre werden Schottky-Feldemitter in TEM eingesetzt.
Seit Anfang der 1990er Jahre kommen FESEM mit Schottky-Feldemitter zum Einsatz.
Erwähnenswert ist auch der zunehmende Einsatz von Computern seit den 1990er Jahren. So lassen sich beispielsweise komplizierte Linsensysteme automatisch durch Analyse der Aufnahmen einer CCD-Kamera justieren, was den Bediener des Mikroskops deutlich entlastet. Unabdingbar ist der Einsatz von Computern zur Kompensation von Aberrationen der elektronenoptischen Linsen mit magnetischen Multipollinsen, eine Technik, die in den letzten Jahren sowohl im REM, TEM, wie auch im STEM-Bereich immer mehr Bedeutung erlangt.
Literatur
- E. Ruska: Über eine Berechnungsmethode des Kathodenstrahloszillographen auf Grund der experimentell gefundenen Abhängigkeit des Schreibfleckdurchmessers von der Stellung der Konzentrierspule. Studienarbeit Technische Hochschule Berlin, Lehrstuhl für Hochspannungstechnik, eingereicht am 10.5.1929
- E. Ruska: Untersuchung elektrostatischer Sammelvorrichtungen als Ersatz der magnetischen Konzentrierspulen beim Kathodenstrahloszillographen. Diplomarbeit Technische Hochschule Berlin, Lehrstuhl für Hochspannungstechnik, eingereicht am 23.12.1930
- E. Ruska und M. Knoll: Die magnetische Sammelspule für schnelle Elektronenstrahlen. Z. techn. Physik 12 (1931) 389-400 und 448. eingegangen am 28.4.1931
- M. Knoll und E. Ruska: Das Elektronenmikroskop. Z. Physik 78 (1932) 318-339 eingegangen am 16.6.1932
- E. Ruska: The Electron Microscope as Ultra-Microscope. Research and Progress 1 (Jan. 1935) 18-19
- E. Ruska: Über den Aufbau einer elektronenoptischen Bank für Versuche und Demonstrationen. Z. wiss. Mikroskopie 60 (1952) 317-328
- E. Ruska: Erinnerungen an die Anfänge der Elektronenmikroskopie. Festschrift Verleihung des Paul-Ehrlich- und Ludwig-Darmstaedter-Preises 1970, H. 66, 19-34. Gustav-Fischer-Verlag, Stuttgart
- E. Ruska: Das Entstehen des Elektronenmikroskops und der Elektronenmikroskopie. Nobel-Vortrag. Physik. Blätter 43 (1987) 271-281 bzw. Rev. Mod. Physics 59 (1987) 627-638
- Georges-Pierre Bonneau, Thomas Ertl, Gregory M. Nielson: Scientific Visualization The Visual Extraction of Knowledge from Data. Springer, Berlin. 2005. ISBN 3540260668 . 432 Seiten. (Ganz tolle Aufnahmen auch für Laien, Nielson ist der Starfotograf in dieser Minidimension.)
- Hans Hagen. Achim Ebert, Rolf Hendrik van Lengen, Gerik Scheuermann: Scientific Visualization - Methods and Applications. Lecture Notes In Computer Science; Vol. 2000 archive. Springer, Berlin. S. 311 - 327. 2001. ISBN 3-540-41635-8
- Ludwig Reimer, Gerhard Pfefferkorn: Raster - Elektronenmikroskopie. 282 Seiten - Springer, Berlin. 1999 - 2., erw. Aufl. ISBN 3540081542 .
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