Rasterelektronenmikroskop

Als Rasterelektronenmikroskop (REM) (englisch "Scanning Electron Microscope" (SEM)) bezeichnet man ein Elektronenmikroskop, bei dem ein Elektronenstrahl in einem bestimmten Muster über das vergrößert abzubildende Objekt geführt wird und Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt zur Erzeugung eines Bildes vom Objekts genutzt werden.

Die mit einem Rasterelektronenmikroskop erzeugten Bilder sind Abbildungen der Objektoberflächen und sie weisen im Vergleich zu Bildern, die mit lichtoptischen Durchlichtmikroskopen erzeugt werden, eine höhere Schärfentiefe auf. Der maximale theoretische Vergrößerungsfaktor liegt etwa bei 1:500.000, während dieser bei der Lichtmikroskopie bei etwa 1:2000 liegt.

Das Rasterelektronenmikroskop basiert auf der Abrasterung der Objektoberfläche mittels eines feingebündelten Elektronenstrahls. Der komplette Vorgang findet normalerweise im Hochvakuum statt, um Wechselwirkungen mit Atomen und Molekülen in der Luft zu vermeiden.

Der Elektronenstrahl wird in einer Elektronenquelle erzeugt. Dabei handelt es sich meist um einen haarnadelförmig gebogenen Draht aus Wolfram oder LaB6. Dieser Draht wird erhitzt und emittiert Elektronen, die dann in einem elektrischen Feld mit einer Spannung von typischerweise 8 - 30 kV beschleunigt werden. Moderne Geräte haben eine Feldemissionselektronenkanone (engl. Field Emission Gun (FEG)), diese besteht aus einer sehr feinen Spize aus der die Elektronen heraustunneln. Instrumente mit einer solchen Quelle zeichnen sich durch besonders gute Bildqualität aus.

Mit Hilfe von Magnetspulen wird der Elektronenstrahl auf einen Punkt auf dem Objekt fokussiert. Der Primärelektronenstrahl wird wie bei einem Fernseher zeilenweise über die Oberfläche des Objekts geführt (Rastern). Trifft der Elektronenstrahl auf das Objekt sind verschiedene Interaktionen möglich, deren Detektion Informationen über die Beschaffenheit des Objekts geben können.
Die Intensität des detektierten Signals an dem Punkt, auf den der Elektronenstrahl fokussiert ist, wird als Grauwert in dem entsprechenden Pixel auf dem Bildschirm dargestellt. Nach einer kurzen Zeit wird der Elektronenstrahl zum nächsten Punkt bewegt und die Messung widerholt. So wird die Objektoberfläche zeilenweise analysiert.

Die meistgenutze Informationsquelle sind von Primärelektronen angeregte Elektronen aus dem Objekt, die dieses verlassen. Diese sogannten Sekundärelektronen (SE) haben eine Energie von einigen eV und werden von einem sogenannten Everhart Thornley Detektor detektiert. Der Kontrastmechanismus bei Sekundärelektronen basiert darauf, dass in erhabenen Teilen des Objekts mehr SE das Objekt verlassen, so dass diese Bereiche hell erscheinen. Das Volumen, in dem SE generiert werden, ist vergleichsweise klein, daher erlauben SE-Bilder eine sehr hohe Auflösung (wenige nm).

Ein weiteres häufig genutzes Verfahren ist die Detektion von zurückgestreuten Elektronen (engl. Backscattered Electrons (BSE)). Diese vom Objekt reflektierten Primärelektronen haben eine Energie von einigen keV. Das Volumen, in dem es zu derartigen Interaktionen kommt, hängt stark von der Beschleunigungspannung und vom Objektmaterial ab, bei 20 kV liegt es bei etwa 1 μm, daher haben BSE-Bilder eine schlechtere Auflösung. In BSE-Bildern erscheinen tiefliegende Bereiche des Objekts dunkel, zusätzlich hängt die Intensität von der Ordnungszahl des Materials ab. Schwere Elemente sorgen für eine starke Rückstreuung, so dass entsprechende Bereiche hell erscheinen, dies ermöglicht Rückschlüsse auf die chemische Natur des Objektmaterials.

Weitere Interaktionsmechanismen sind die Erzeugung von Augerelektronen und Röntgenstrahlen. Letztere können mittels "Energiedispersiver Röntgenstrahlen-Analyse" ("Energy Dispersive X-Ray Analysis" EDX) Informationen über die stoffliche Zusammensetzung des Objekts geben.

Siehe auch

Weblinks

http://www.deutsches-museum.de/ausstell/dauer/physik/physik23.htm - Raster-Elektronenmikroskop (Deutsches Museum - Physik)
http://www.moerike-g.es.bw.schule.de/forschung-lotus/methods/Rasterelektronenmikroskop.htm - Das Rasterelektronenmikroskop
http://remf.dartmouth.edu/imagesindex.html Bilder eines Rastersekundärelektronenmikroskops (gekennzeichnet mit "SEM")