Elektronen Mikroskop

elektronenmikroskopische Untersuchung

Das Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, das die Innenseite oder Oberfläche eines Objekts mit Elektronen abbilden kann. Das vergrößerte Bild eines Objekts / einer Struktur erzeugt ein Elektronenmikroskop nicht mit Hilfe von Lichtstrahlen, sondern mit Elektronenstrahlung. Reicht das Lichtmikroskop (LM) nicht mehr für eine höhere Auflösung aus, so ist dies eine.

mw-headline" id="Aufbau">Aufbau[Bearbeiten | < Quelltext bearbeiten]

Die Elektronenmikroskopie ist ein Mikroskop, das die Innenseite oder Fläche eines Objektes mit Elektronen bebildern kann. Weil schnelles Elektronenmaterial Wellen einer viel kleineren Materiewellenlänge als sichtbare Strahlung aufweist, kann ein elektronisches Mikroskop eine wesentlich bessere Lösung (derzeit etwa 0,1 nm) erreichen als ein lichtmikroskopisches System (etwa 200 nm).

Obwohl die Lösung von Lichtmikroskopen die durch die Diffraktion verursachte physische Begrenzung wirklich überschreitet, verschlimmern die Abbildungsfehler der elektronisch-optischen Komponenten in einem Elektronenmikroskop die brauchbare Lösung um etwa anderthalb Zehnerpotenzen gegenüber der theoretisch erreichbaren Lösung, die bei 100 KeV-Elektronenergie etwa 0,0037 nm liegt. Die Elektronenmikroskope unterscheiden sich durch ihre Art, ein Abbild des Objektes auf unterschiedlichste Art und Weise herzustellen: Transmissionselektronenmikroskope verwenden elektrooptische Objektive, die mit Hilfe von Magnet- oder elektrischen Feldern den Elektronenweg abgelenkt, vergleichbar mit dem durch lichtoptisch konvergierende Objektive geleiteten Wellen.

Sekundäre Elektronenmikroskope folgen einem anderen Weg der Bildgenerierung als konfokale Lichtmikroskope. Zu den Hauptkomponenten eines elektronenmikroskopischen Systems gehören: Das Elektronenkanonenrohr, das die kostenlosen Elektronen in einer Elektronquelle generiert und sie in Fahrtrichtung einer in einem Ring um die Strahlenachse befindlichen Andockvorrichtung aufnimmt. Elektrotechnisch befindet sich die Anlage auf Erdpotenzial, die Katode auf einer ungünstigen hohen Spannung, die je nach Mikroskop zwischen einigen wenigen Millivolt und 3 Megavolt beträgt.

Dieses Spannungsverhältnis zwischen Katode und Andockvorrichtung beeinflusst die Elektronenenergie. Elektronenobjektive, die die Trajektorien von Elektronen umlenken können. Meistens werden Magnetlinsen eingesetzt, in der Elektronenpistole teilweise auch Elektrostatik. Elektronenoptiken haben die gleichen Funktionen wie Glasoptiken im Lichtmikroskop. Die Elektronenoptik hat die gleichen Eigenschaften wie die Glasoptik. Obwohl die Objektivbrennweite von Glassobjektiven fest eingestellt ist, kann sie für Elektronenobjektive eingestellt werden.

Daher beinhaltet ein elektronisches Mikroskop im Unterschied zu einem optischen Mikroskop keine Wechsel- oder Verschiebelinsen (Systeme) wie die Optiken oder Okulare eines optischen Mikroskops. Die Vakuumanlage, die dafür sorgt, bei Kollisionen mit Gassmolekülen die Elektronen nicht auf ihrem Weg zu behindern. Der Objektträger, der eine feste Position des Objektes gewährleisten muss.

Melder, die die Elektronen selbst oder Sekundärsignale aufzeichnen. Der Mikroskopstativ ist das Gerüst für alle elektronisch-optischen Komponenten, bietet in der Regel eine magnetische Abschirmung, um den Einfluss externer magnetischer Felder auf die Messwerte zu dämpfen, und verschließt das darin gehaltene Unterdruck. Die Elektronenmikroskope können in zwei grundlegende Aspekte unterteilt werden.

Die erste ist die Form der Bilderzeugung: Rasterelektronenmikroskope verwenden ein elektronenoptisches Verfahren aus elektromagnetischen und elektrostatischen Objektiven, um einen dünnen Ionenstrahl auf das zu untersuchende Messobjekt zu erzeugen, der Zeile für Zeile über die zu untersuchende rechteckige Objektfläche geleitet ("abgeschirmt") wird. Die Abbildung wird durch synchrones Registrieren eines Signales erhalten, das durch den Ionenstrahl ausgelöst oder beeinflusst wird.

Standbildmikroskope strahlen einen Bereich des Objekts mit einem festen, breitstrahlenden Elektron. Hier wird das Abbild unter Verwendung eines Teils der vom Gegenstand abgegebenen Elektronen generiert, um ein Abbild mit einem elektronenoptischen System zu erzeugen. Dabei ist es von Bedeutung, dass die Elektronen im Körper - im Gegensatz zu den Elektronen des Lichts - unelastisch und stark verstreut sind und dadurch Strom abführen.

Allerdings zeigen die elektronisch-optischen Bildsysteme eine hohe Farbabweichung, weshalb die unelastisch verstreuten Elektronen das optische Abbild durchbrechen. Grundsätzlich kann der Idle-Bildmodus nur dann verwendet werden, wenn nach der Interaktion des Ionenstrahls mit dem Messobjekt genügend Elektronen mit einer ausreichend engen Leistungsverteilung vorhanden sind und dabei nicht zu viele Elektronen mit abweichender Energie auftauchen.

Durch die Auswahl von Elektronen eines passenden Energiebereiches zur Bildgebung mit Hilfe von Elektronenenergiefiltern kann die zu untersuchende Schichtdicke erhöht werden. Im Transmissionsbereich werden die schnell leuchtenden Elektronen zur Bildgenerierung nach dem Durchlaufen des Objekts genutzt, wodurch meist nur sehr kleine Streuwinkel detektiert werden. Transparent Elektronenmikroskope (TEM) funktionieren meist nach dem Standbildverfahren, vereinzelt wird das Rasterverfahren (Rastertransmissionselektronenmikroskopie/Mikroskop (STEM)) eingesetzt.

Der untersuchte Objektbereich muss sehr klein sein (man redet von Elektronendurchlässigkeit, für heute gängige Beschleunigungsspannungen oder Elektronenergien max. einige 100 Nanometer bei sehr grober Auflösungsstärke, typischerweise unter 100 Nanometer, bei hoher Auflösungsdichte max. einige 10 Nanometer). Wenn für die Bildgenerierung überwiegend andere Signalquellen als die übertragenen Elektronen verwendet werden, gibt es keinen festen Namen für diese.

Ausgenommen ist der Streifeneffekt von Elektronen auf fast ebenen festen Oberflächen, bei dem ein ausreichender Teil der Elektronen plastisch widergespiegelt wird, so dass man im Ruhezustand arbeitet. Diese Klassifizierungen ergeben in ihrer Gesamtheit folgende Tabelle (die bei Weitem gebräuchlichsten Arten sind dick ): Die gebräuchlichsten Elektronenmikroskope in Bezug auf die Zahl der eingesetzten Geräte sind SEM/SEM, gefolgt vom TEM.

Allerdings kann die Reflektionsmikroskopie auch in einem gewöhnlichen REM durchgeführt werden, wenn die Objektfläche fast deckungsgleich zum Ionenstrahl angeordnet werden kann. Reflexmikroskopie, d.h. die elektrooptische Darstellung von Flächen, wird z. B. in Kurzzeitversuchen verwendet, bei denen der Ionenstrahl nur für sehr kurze Zeit verfügbar ist; die geringe zeitliche Spanne würde nicht genügen, um das Messfeld mit einem Ionenstrahl in gleicher Art und Weise wie im REM zu erfassen.

Hinzu kommt das Freie Elektronenmikroskop (auch bekannt als Feldemissionsmikroskop), das ohne Abbildungsoptik auskommt und bei dem das Messobjekt selbst die Katode formt, aus der die Elektronen herauskommen. In der Rasterelektronik (REM) wird ein dünnen Lichtstrahl über den meist festen Gegenstand abgetastet.

Elektronen, die aus dem Gegenstand austreten oder rückgestreut werden, oder andere Signalquellen werden zeitgleich erfasst; der erfasste Stromwert bestimmt die Intensität des zugewiesenen Pixels (das derzeit vom Elektronenstrahl bestrahlt wird). Der Signalton der kathodolumbischen (KL) ist von sekundärer Relevanz und wird nur in Spezialuntersuchungen verwendet. Die SE sind Niederenergie-Elektronen, die durch den Beschuss mit Primärelektronen austreten.

Diese werden durch eine Ansaugspannung in Fahrtrichtung des Sensors forciert und generieren eine entsprechend große Zahl von Stromimpulsen. Die Standard SE-Detektoren sind auf der Rückseite des Objektes montiert und liefern ein sehr naturgetreues, räumliches Abbild, da die dem Detector zugewandte Fläche heller ist als die entfernte Fläche. Eine weitere SE-Erkennung, die in heutigen REMs vorhanden ist, ist der so genannte "In-Linsen"-Detektor, der in einem Ring über dem Gegenstand innerhalb der Kolonne montiert ist.

BE oder BSE sind Elektronen aus dem Hauptstrahl, die an den betroffenen Kernzellen bei oder bis zu mehreren zehn Nanometern unter der Oberfläche des Objektes flexibel ausbreitet werden. Der Energiegehalt der Elektronen befindet sich im Messbereich der bestrahlten Primär-Elektronen, die Bildschirmauflösung im Messbereich in Abhängigkeit von der eingesetzten Wärme. Das BSE-Detektor wird in der Praxis als 4-Quadranten-Halbleiterdetektor unmittelbar über dem Objekt platzier.

Je nach Schaltung der Siliziumkristalle ergeben sich verschiedene topographische Kontraste, bei denen tief liegende Stellen des Objektes schwarz wirken. Mit dem so genannten S-Kontrast ( "Z-Kontrast") (Z = Atomzahl der Elemente) wird die Besonderheit genutzt, dass schwergewichtige Element Elektronen besser widerspiegeln als hellelemente. Kathalumineszenz (KL) ist die durch das Beschießen von Elektronen verursachte Helligkeit der Gegenstandsoberfläche.

Die KL-Signale, d.h. das vom Messobjekt abgegebene Objektlicht, werden über Spezialspiegel und -lichtschranken aus der Objekthalle geführt, mit einem Montagechromator spectral zersetzt und über einen Photomultiplikator oder CCD-Detektor erfasst. Ein weiteres Untersuchungsverfahren, das am REM (aber auch am Transmissionselektronenmikroskop) an Relevanz gewinnt, aber nicht die Oberfläche des Objekts darstellt, nutzt die Elektronenrückstreuung.

Dazu werden die von den Kristalloberflächen des Objektes reflektierten Elektronen auf einen Detektorbildschirm geworfen und die resultierenden Kikuchi-Linien mit einem Computer ausgewertet und den Kristallrichtungen zugewiesen. Das Elektronenmikroskop ist ein besonderes rasterelektronisches Mikroskop, das für die Durchführung chemischer Untersuchungen an Flächen im Mikrometerbereich entwickelt wurde. Mit einem ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) ist es möglich, mit einem verhältnismäßig hohem Druck (mehrere zehn Millibar) in der Nähe des Objektes zu messen.

Damit ist es möglich, auch Feuchtobjekte (z.B. vitale Körper oder Zuchtkristalle) zu durchleuchten. Im TEM mit kristallinen Körper, vereinfachte Darstellung. Abhängig von der Atomzahl der Atomkerne, aus denen sich das Material zusammensetzt, der Höhe des Beschleunigungsspannungsniveaus und der angestrebten Lösung kann die passende Schichtdicke zwischen einigen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern sein.

Mit zunehmender Atomzahl und niedrigerer Anodenspannung muss das Messobjekt umso schlanker sein. Das Ergebnis ist ein elektronenbeugendes Bild, das zur Bestimmung der kristallinen Struktur des Objektes verwendet werden kann. Durch verschiedene Analyseverfahren, insbesondere die energiendispersive Röntgenanalytik (EDX, auch energiendispersive Röntgenspektroskopie, EDS) und die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS), ist eine sinnvolle Erweiterung des Transmissionselektronenmikroskops möglich.

Mit beiden Methoden kann die Dichte und Streuung von chemischen Elementen im Messobjekt bestimmt werden, wodurch die kleinen erreichbaren Elektronenstrahldurchmesser die Erforschung von sehr kleinen Objektbereichen ermöglichen. Die Energie gefilterte Transmissionselektronenmikroskopie in der TEM ist eine weitere Entwicklung der Elektronenenergieverlustspektroskopie, bei der in der Regel Aufnahmen von unelastisch verstreuten Elektronen mit bestimmten charakteristischen Energiewerten gemacht werden.

Ebenso können energetisch gefilterte Elektronendiagrammbilder aufgezeichnet werden. Wenn der primäre Elektronenstrahl über dem Messobjekt feingestrahlt wird, werden die übertragenen Elektronen erfasst und der entsprechenden Strahllage auf dem Messobjekt zugewiesen, dieses Messverfahren wird als Rasterübertragungselektronenmikroskopie (STEM) oder Scanning Transmission Electron Microscopy oder Scanning Transmission Electron Microscopy bezeichnet. Tatsächliche linsenförmige Elemente, sowohl in der Lichtoptik als auch in der Elektronoptik, weisen eine Abweichung vom Idealverhalten auf.

Obwohl Sonnensysteme in der optischen Optik durch entsprechende Materialauswahl und -formung für gewisse Lichtwellenlängenbereiche fast an Aberrationsfreiheit gewinnen können, ist dies in den Linselementen der elektronischen Optik nicht möglich. Weil die Abbildungsfehler jedoch vom aktuellen Status der Optik abhängig sind (Temperaturverteilung, elektronische Justierung und andere Kenngrößen sind hier von großer Bedeutung), müssen die Abbildungsfehler umgehend erfasst und die Korrekturglieder entsprechend gesteuert werden.

Die Auflösung von REMs ist aufgrund ihrer Funktionsweise in der Regel nicht durch den kleinstmöglichen Durchmesser des Elektronenstrahls vorgegeben, da der Ionenstrahl vom Messobjekt selbst stärker verstreut wird. Die Verwendung von Abbildungskorrektoren in REMs ermöglicht jedoch einerseits größere Strahlenströme (d.h. schnelleres Erfassen von Bildern) und andererseits die Kompensation reduzierter Elektronenergien, was aufgrund der Wellenlängenzunahme zunächst zu einem grösseren Strahlendurchmesser führen kann.

Aus der aufwendigen Präparation der Gegenstände können Artefakte entstehen - solche Gebilde, die erst während der Präparation entstehen und nichts mit dem tatsächlichen Gegenstand zu tun haben -, was die Bewertung der Aufnahmen schwieriger macht. Eine weitere Problematik ist die Beschädigung der Gegenstände durch den Ionenstrahl, z.B. durch Erwärmen oder Wegdrücken ganzer Atomkerne nach Zusammenstoß mit den schnell reagierenden Elektronen, aber auch durch Einschießen von Fremdatomen des Vakuums in die Proben.

Aufgrund des Vakuums im Mikroskop, der für die Herstellung einer Probe erforderlichen Trocken- und Fixierarbeiten sowie des unverzichtbaren extrem feinen Schneidens der Probe ist es (außer mit der ESEM) nicht möglich, ein lebendiges Teil zu untersuchen. Nachteilig sind auch die sehr hohe Anschaffungs- und Wartungskosten für Elektronenmikroskope, die es privaten Unternehmen oft nicht ermöglichen, ihre eigenen Anlagen zu bedienen.

Deshalb sind Elektronenmikroskope vor allem in Forschungseinrichtungen und Dienstleistungsbetrieben zu finden. 1931 bauten Ernst Ruska und Max Knoll ein T-Shirt als erstes elektronisches Mikroskop - damals auch als Über-Mikroskop bekannt[3] - obwohl zunächst keine elektronen-transparenten Gegenstände bebildert wurden, sondern kleine Metallroste als Test. 1938 entwickelt er auch das erste handelsübliche Elektromikroskop bei Siemens.

Ungefähr zur gleichen Zeit wie Ruska und Thrill konstruierte Reinhold Rüdenberg ein elektronisches Lichtmikroskop, für das er 1931 ein Patente erhielt. Die ersten sowjetischen Elektronenmikroskope wurden 1940 von W. Werzner erbaut. War in den ersten Jahren die Klärung lichttechnisch nicht sichtbarer Erreger ( "Viren") ein wichtiger Motor für die Weiterentwicklung des Elektromikroskops, so wuchs das Interessensgebiet später vor allem auf die Materialwissenschaften, nachdem Robert D. Heidenreich 1949 die Herstellung von dünnen röntgenstrahlendurchlässigen Metallplättchen durchführte.

Komplexe Objektivsysteme können zum Beispiel durch die Auswertung der von einer CCD-Kamera aufgenommenen Bilder automatisiert angepasst werden, was den Anwender erheblich vom Mikroskop befreit. Die Verwendung von Rechnern zur Kompensierung von Abbildungsfehlern von elektronenoptischen Objektiven mit magnetischer mehrpoliger Linse ist unerlässlich, eine Technologie, die in den vergangenen Jahren sowohl im REM, TEM als auch im STEM-Bereich immer mehr an Wichtigkeit gewonnen hat.

Klomparens: Elektronenmikroskopie: Grundlegende Kenntnisse, Methodik, Anwendungen. Carter: Transmissionselektronenmikroskopie. Die Website des Plenum Press, New York/London 1996, ISBN 0-306-45247-2 Die Website des Elektronenmikroskopie-Standorts ETH Zürich: sehr gute Graphiken und Illustrationen, die unterschiedliche Vorgehensweisen zeigen. O. Scherzer: Über einige Defekte von Elektronengläsern. Herrmann: Komafreie Ausrichtung von hochauflösenden Elektronenmikroskopen mit optischen Diffraktogrammen.

Ernst Ruska: Das Elektromikroskop. Ursprünglich am 9. Februar 2011 datiert; abrufbar am 12. Juni 2012. Das weltweit leistungsfähigste Mikroskop. waltderphysik. de, 23. Februar 2008. Das Projekt der Firma TAM erzielt den Durchbruch in der Mikroskopie. FEI Company, früher im Original; abrufbar am 26. Februar 2008.

Willi Müller: Das leistungsstärkste Mikroskop der Weltgeschichte. FOKUS Online, abrufbar am 21. Januar 2016. Das stärkste Mikroskop der Weltgeschichte kommt nach Jülich. Untersuchungszentrum Jülich in Jülich GbR, abrufbar am 25. Januar 2016. Ärztin: Limas-Quelle 473. Manfred v. Heimendahl: Einleitung in die Elektrowissenschaft.

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