Rasterelektronenmikroskop

Allgemeines

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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 des 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 500.000:1, während dieser bei der Lichtmikroskopie bei etwa 2000:1 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 einen LaB6-Kristall. Diese werden erhitzt und emittieren Elektronen (sogenannte Glühkathoden), die dann in einem elektrischen Feld mit einer Spannung von typischerweise 8 - 30 kV beschleunigt werden. Eine andere, wegen hoher Anschaffungskosten noch nicht weit verbreitete moderne Technik nutzen Geräte mit einer sog. Feldemissionselektronenkanone (engl. Field Emission Gun (FEG)): diese besteht aus einer sehr feinen Wolframkristallspitze, aus der durch Anlegen einer hohen elektrischen Feldstärke die Elektronen "heraustunneln" (keine Erhitzung zur Elektronenemission, daher auch Kaltkathoden-Elektronenkanone genannt). Instrumente mit einer solchen Quelle zeichnen sich durch besonders gute Bildqualität schon bei sehr niedriger Beschleunigungsspannung aus.

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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 wiederholt. So wird die Objektoberfläche zeilenweise analysiert.

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Signale am REM

Die meistgenutzte 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.

Außerdem eine sehr häufige Anwendung am REM ist die charakteristische Röntgenstrahlung. Diese entsteht, wenn ein Elektron des Elektronenstrahls im Atom der Probe ein kernnahes Elektron von seiner Position schlägt. Diese Lücke wird sofort von einem energiereicherem Elektron aus einem höheren Orbital aufgefüllt. Die Energiedifferenz wird in Form eines Röntgenquants frei. Die dadurch entstandene Röntgenstrahlung ist charakteristisch für den Übergang und das Atom, also das Element. Mittels geeigneter Detektoren können die Energien, deren Intensität proportional zu der in der Probe enthaltenen Elementen ist, aufgenommen werden und so direkt auf das Element geschlossen werden. Die gängige Methode am REM ist die "Energiedispersiver Röntgenstrahlen-Analyse" ("Energy Dispersive X-Ray Analysis" EDX), dabei wird die Energie des Röntgenquants ausgewertet. An einigen REM findet sich auch die "Wellenlängendispersive Röntgenstrahlen-Analyse" ("Wavelength Dispersive X-Ray Analysis" WDX), die aber hauptsächlich an (Elektronenstrahl-)Mikrosonden Einsatz findet.

Ein weiterer Interaktionsmechanismus ist die Erzeugung von Augerelektronen. Augerelektronen werden anhand einer speziellen Gerätetechnik in Spektrometergeräten ausgewertet.

Weitere entstehende Signale sind absorbierte Elektronen und Kathodolumineszenz. Absorbierte Elektronen stellen einen durch die Probe zur Erde abfließenden Strom dar und können zur Abbildung der Oberfläche genutzt werden.

Kathodolumineszenz entsteht dadurch, dass einige Stoffe beim Bestrahlen mit Elektronen Licht emittieren. Dieses wird mit einem Hohlspiegel aufgefangen und verstärkt. Es kann spektral zerlegt werden und gibt daher Aufschluß über Bereiche unterschiedlicher Wellenlänge. Dazu wird eine wellenselektive Abbildung erzeugt. Mit Hilfe der Kathodolumineszenzstrahlung können Informationen zu Intern- und Defektstruktur, sowie Spurenelementen gewonnen werden.

Ein großes Problem stellen Aufladungseffekte bei der Untersuchung von Isolatoren dar. Ist die Energie der Elektronen zu niedrig, werden nur sehr wenige Sekundärelektronen abgestrahlt und die Probe lädt sich lokal negativ auf. Ist der Primärstrahl zu stark, können sich Teile der Oberfläche positiv aufladen. Um diese Effekte zu vermeiden, kann man die Isolatoren mit einer sehr dünnen Gold- oder Kohlenstoffschicht überziehen (Sputtern).

ESEM

Eine Spielart der Rasterelektronenmikroskope stellt das sogenannte ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) oder Prozessrasterelektronenmikroskop dar, bei dem nur die Elektronenstrahlerzeugung im Hochvakuum statt findet. Die Probenkammer und die elektronenoptische Säule, in der sich die Strahlmanipulation befindet, stehen nur unter einem leichten Vakuum. Dabei wirkt das Restgas in der Kammer als Oszillator und Verstärker. Hier ist auch keine Beschichtung der Proben vonnöten, da es sich um wesentlich geringere Strahlströme handelt.

Vorteil ist, daß auch Proben, die nicht Vakuumfest sind unter Realbedingungen untersucht werden können.

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")
Rasterelektronenmikroskop - Ein paar interessante Bilder

Literatur

Flegler, Heckman, Klomparens: Elektronenmikroskopie - Grundlagen, Methoden, Anwendungen, Spektrum Akademischer Verlag 1995 (deutsch), 279 S.
Georges-Pierre Bonneau, Thomas Ertl, Gregory M. Nielson: Scientific Visualization The Visual Extraction of Knowledge from Data. Springer, Berlin. 2005. ISBN 3540260668 . 432 Seiten.
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 .