Rasterelektronenmikroskop
Ein Rasterelektronenmikroskop (REM) ist eine Art Elektronenmikroskop, das Bilder einer Probe erzeugt, indem es die Oberfläche mit einem fokussierten Elektronenstrahl abtastet. Die Elektronen interagieren mit den Atomen in der Probe und erzeugen verschiedene Signale, die Informationen über die Oberflächentopographie und die Zusammensetzung der Probe enthalten. Der Elektronenstrahl wird in einem Rastermuster abgetastet, und die Position des Strahls wird mit der Intensität des erfassten Signals kombiniert, um ein Bild zu erzeugen. Im gebräuchlichsten REM-Modus werden die von den durch den Elektronenstrahl angeregten Atomen emittierten Sekundärelektronen mit einem Sekundärelektronendetektor (Everhart-Thornley-Detektor) nachgewiesen. Die Anzahl der Sekundärelektronen, die nachgewiesen werden können, und damit die Signalintensität hängt unter anderem von der Topographie der Probe ab. Einige SEMs können Auflösungen von mehr als 1 Nanometer erreichen. ⓘ
Die Proben werden in einem konventionellen REM im Hochvakuum, in einem REM mit variablem Druck oder unter feuchten Bedingungen und mit speziellen Geräten bei einer Vielzahl von Tiefst- oder Hochtemperaturen untersucht. ⓘ
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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 (gerastert) wird und Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt zur Erzeugung eines Bildes des Objekts genutzt werden. Die typischerweise mit einem Rasterelektronenmikroskop erzeugten Bilder sind Abbildungen der Objektoberflächen und weisen eine hohe Schärfentiefe auf. Eine rasternde Abbildung lässt sich auch in Transmission durchführen (engl. scanning transmission electron microscopy, STEM), hierfür sind entsprechend ausgerüstete Transmissionselektronenmikroskope oder dedizierte Rastertransmissionselektronenmikroskope nötig. ⓘ
Geschichte
Hans Busch entdeckte im Jahr 1925, dass man ein Magnetfeld als Elektronenlinse benutzen kann, analog zur Glaslinse bei Lichtstrahlen. 1931 baute Ernst Ruska zusammen mit Max Knoll das erste Elektronenmikroskop. Es handelte sich dabei allerdings um ein Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop (Transmissionselektronenmikroskop – TEM) und lieferte keine Bilder der Oberfläche, sondern die Verteilung der Masse im Objekt. Das Auflösungsvermögen dieses ersten Elektronenmikroskops war aus technischen Gründen zunächst noch sehr beschränkt. Zwei Jahre darauf konstruierte Ernst Ruska sein zweites Elektronenmikroskop mit einem Auflösungsvermögen von 50 nm, was die Auflösung mit Lichtstrahlenabtastung bei weitem übertrifft. ⓘ
Das Rasterelektronenmikroskop wurde 1937 von Manfred von Ardenne erfunden. Er entwickelte und baute das erste hochauflösende Rasterelektronenmikroskop mit starker Vergrößerung und Abtastung eines sehr kleinen Rasters (Seitenlänge 10 µm; Auflösung in Zeilenrichtung 10 nm) mit einem zweistufig verkleinerten und feinfokussierten Elektronenstrahl (Sondendurchmesser 10 nm). Von Ardenne verwendete das Abtastprinzip nicht nur, um einen weiteren Weg in der Elektronenmikroskopie zu eröffnen, sondern auch gezielt, um den chromatischen Fehler zu eliminieren, der Elektronenmikroskopen inhärent ist. Er beschrieb und diskutierte in seinen Publikationen die theoretischen Grundlagen des Rasterelektronenmikroskops sowie die verschiedenen Detektionsmethoden und teilte seine praktische Ausführung mit. Weitere Arbeiten kamen von der Vladimir-Zworykin-Gruppe (1942), später von den Cambridge-Gruppen in den 1950er Jahren und Anfang der 1960er Jahre unter der Leitung von Charles William Oatley. Alle diese Arbeiten führten schließlich zur Vermarktung des ersten kommerziellen Rasterelektronenmikroskops „Stereoscan“ (1965) durch Cambridge Scientific Instruments Company. Ein Bericht über die frühe Geschichte der SEM wurde von McMullan verfasst. ⓘ
Prinzipien und Kapazitäten
Die Signale, mit denen ein REM ein Bild erzeugt, resultieren aus der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit Atomen in verschiedenen Tiefen der Probe. Es werden verschiedene Arten von Signalen erzeugt, darunter Sekundärelektronen (SE), reflektierte oder zurückgestreute Elektronen (BSE), charakteristische Röntgenstrahlung und Licht (Kathodolumineszenz) (CL), absorbierter Strom (Probenstrom) und durchgelassene Elektronen. Sekundärelektronendetektoren gehören zur Standardausrüstung aller REM-Geräte, aber es ist selten, dass ein einziges Gerät über Detektoren für alle anderen möglichen Signale verfügt. ⓘ
Sekundärelektronen haben sehr niedrige Energien in der Größenordnung von 50 eV, was ihre mittlere freie Weglänge in fester Materie begrenzt. Folglich können SEs nur aus den obersten paar Nanometern der Oberfläche einer Probe austreten. Das Signal der Sekundärelektronen ist in der Regel stark auf den Auftreffpunkt des primären Elektronenstrahls begrenzt, so dass Bilder der Probenoberfläche mit einer Auflösung von unter 1 nm aufgenommen werden können. Rückgestreute Elektronen (BSE) sind Strahlelektronen, die von der Probe durch elastische Streuung reflektiert werden. Da sie eine viel höhere Energie haben als SEs, treten sie aus tieferen Bereichen der Probe aus, und folglich ist die Auflösung von BSE-Bildern geringer als die von SE-Bildern. Dennoch werden BSE-Bilder in der analytischen REM häufig zusammen mit den aus den charakteristischen Röntgenstrahlen erstellten Spektren verwendet, da die Intensität des BSE-Signals eng mit der Ordnungszahl (Z) der Probe zusammenhängt. BSE-Bilder können Informationen über die Verteilung, aber nicht über die Identität der verschiedenen Elemente in der Probe liefern. In Proben, die überwiegend aus leichten Elementen bestehen, wie z. B. biologische Proben, können mit der BSE-Bildgebung kolloidale Gold-Immunmarker mit einem Durchmesser von 5 oder 10 nm abgebildet werden, die sonst in Sekundärelektronenbildern nur schwer oder gar nicht zu erkennen wären. Charakteristische Röntgenstrahlen werden emittiert, wenn der Elektronenstrahl ein inneres Schalenelektron aus der Probe entfernt, wodurch ein energiereicheres Elektron die Schale auffüllt und Energie freisetzt. Die Energie oder Wellenlänge dieser charakteristischen Röntgenstrahlen kann durch energiedispersive Röntgenspektroskopie oder wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie gemessen und zur Identifizierung und Messung der Häufigkeit von Elementen in der Probe und zur Darstellung ihrer Verteilung verwendet werden. ⓘ
Aufgrund des sehr schmalen Elektronenstrahls haben REM-Schliffbilder eine große Tiefenschärfe, die ein charakteristisches dreidimensionales Erscheinungsbild ergibt, das für das Verständnis der Oberflächenstruktur einer Probe nützlich ist. Ein Beispiel dafür ist die oben gezeigte Aufnahme von Pollen. Es ist ein breites Spektrum an Vergrößerungen möglich, von etwa 10-fach (entspricht etwa der Vergrößerung eines leistungsstarken Handobjektivs) bis zu mehr als 500.000-fach, was etwa dem 250-fachen der Vergrößerungsgrenze der besten Lichtmikroskope entspricht. ⓘ
Vorbereitung der Probe
REM-Proben müssen klein genug sein, um auf den Probentisch zu passen, und müssen möglicherweise speziell präpariert werden, um ihre elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und sie zu stabilisieren, damit sie den Hochvakuumbedingungen und dem energiereichen Elektronenstrahl standhalten können. Die Proben werden im Allgemeinen mit einem leitfähigen Klebstoff starr auf einem Probenhalter oder -stumpf befestigt. Das REM wird in großem Umfang für die Defektanalyse von Halbleiterwafern eingesetzt, und die Hersteller stellen Geräte her, mit denen jeder Teil eines 300 mm großen Halbleiterwafers untersucht werden kann. Viele Geräte verfügen über Kammern, die ein Objekt dieser Größe bis zu 45° kippen können und eine kontinuierliche 360°-Drehung ermöglichen. ⓘ
Nichtleitende Proben sammeln Ladungen, wenn sie vom Elektronenstrahl abgetastet werden, und insbesondere im Sekundärelektronen-Bildgebungsmodus führt dies zu Abtastfehlern und anderen Bildartefakten. Für die konventionelle Bildgebung im REM müssen die Proben zumindest an der Oberfläche elektrisch leitfähig und elektrisch geerdet sein, um die Ansammlung elektrostatischer Ladungen zu verhindern. Metallische Objekte erfordern kaum eine besondere Vorbereitung für das REM, außer der Reinigung und der leitenden Befestigung auf einem Probenstumpf. Nichtleitende Materialien werden in der Regel mit einer ultradünnen Schicht aus elektrisch leitendem Material überzogen, die entweder durch Sputtern im Niedrigvakuum oder durch Aufdampfen im Hochvakuum auf die Probe aufgebracht wird. Zu den derzeit für die Probenbeschichtung verwendeten leitfähigen Materialien gehören Gold, Gold/Palladium-Legierungen, Platin, Iridium, Wolfram, Chrom, Osmium und Graphit. Die Beschichtung mit Schwermetallen kann das Signal-Rausch-Verhältnis bei Proben mit niedriger Ordnungszahl (Z) verbessern. Die Verbesserung ergibt sich daraus, dass die Sekundärelektronenemission bei Materialien mit hoher Z-Zahl verstärkt wird. ⓘ
Eine Alternative zur Beschichtung ist bei einigen biologischen Proben die Erhöhung der Volumenleitfähigkeit des Materials durch Imprägnierung mit Osmium unter Verwendung von Varianten der OTO-Färbemethode (O-Osmiumtetroxid, T-Thiocarbohydrazid, O-Osmium). ⓘ
Nichtleitende Proben können ohne Beschichtung mit einem Umgebungs-SEM (ESEM) oder im Niederspannungsmodus des REM abgebildet werden. Bei ESEM-Geräten befindet sich die Probe in einer Kammer mit relativ hohem Druck, und die optische Elektronensäule wird differenziert gepumpt, um das Vakuum an der Elektronenkanone ausreichend niedrig zu halten. Der Hochdruckbereich um die Probe im ESEM neutralisiert die Ladung und sorgt für eine Verstärkung des Sekundärelektronensignals. Niederspannungs-SEM wird in der Regel in einem Gerät mit einer Feldemissionskanone (FEG) durchgeführt, die in der Lage ist, selbst bei niedrigen Beschleunigungspotenzialen eine hohe Helligkeit der Primärelektronen und eine kleine Punktgröße zu erzeugen. Um die Aufladung nichtleitender Proben zu verhindern, müssen die Betriebsbedingungen so eingestellt werden, dass der eintretende Strahlstrom gleich der Summe der ausgehenden Sekundär- und Rückstreuelektronenströme ist, eine Bedingung, die meist bei Beschleunigungsspannungen von 0,3-4 kV erfüllt ist. ⓘ
Das Einbetten in ein Harz mit anschließendem Polieren bis zu einer spiegelähnlichen Oberfläche kann sowohl für biologische als auch für Materialproben bei der Abbildung mit rückgestreuten Elektronen oder bei der quantitativen Röntgenmikroanalyse verwendet werden. ⓘ
Die wichtigsten Präparationsverfahren sind in der unten beschriebenen Umwelt-SEM nicht erforderlich, aber einige biologische Proben können von einer Fixierung profitieren. ⓘ
Biologische Proben
Für die REM-Untersuchung muss eine Probe normalerweise völlig trocken sein, da in der Probenkammer ein Hochvakuum herrscht. Harte, trockene Materialien wie Holz, Knochen, Federn, getrocknete Insekten oder Schalen (einschließlich Eierschalen) können ohne weitere Behandlung untersucht werden, aber lebende Zellen und Gewebe sowie ganze Organismen mit weichen Körpern müssen chemisch fixiert werden, um ihre Struktur zu erhalten und zu stabilisieren. ⓘ
Die Fixierung erfolgt in der Regel durch Inkubation in einer Lösung eines gepufferten chemischen Fixiermittels wie Glutaraldehyd, manchmal in Kombination mit Formaldehyd und anderen Fixiermitteln, und gegebenenfalls gefolgt von einer Nachfixierung mit Osmiumtetroxid. Das fixierte Gewebe wird dann entwässert. Da die Lufttrocknung zu Kollaps und Schrumpfung führt, wird dies üblicherweise durch den Ersatz des Wassers in den Zellen durch organische Lösungsmittel wie Ethanol oder Aceton und den Ersatz dieser Lösungsmittel wiederum durch eine Übergangsflüssigkeit wie flüssiges Kohlendioxid durch Trocknung am kritischen Punkt erreicht. Das Kohlendioxid wird schließlich im überkritischen Zustand entfernt, so dass während der Trocknung keine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche in der Probe vorhanden ist. ⓘ
Die trockene Probe wird in der Regel mit einem Klebstoff wie Epoxidharz oder elektrisch leitfähigem doppelseitigem Klebeband auf einem Probenstumpf befestigt und vor der Untersuchung unter dem Mikroskop mit Gold oder einer Gold/Palladium-Legierung beschichtet. Die Proben können (mit einem Mikrotom) geschnitten werden, wenn Informationen über die innere Ultrastruktur des Organismus für die Bildgebung freigelegt werden sollen. ⓘ
Wenn das REM mit einem Kältetisch für die Kryomikroskopie ausgestattet ist, können die Proben kryofixiert und bei niedriger Temperatur rasterelektronenmikroskopiert werden. Kryofixierte Proben können in einer speziellen Apparatur unter Vakuum kryo-gebrochen werden, um die innere Struktur sichtbar zu machen, und anschließend durch Sputtern beschichtet und auf den REM-Kältetisch gebracht werden, während sie noch gefroren sind. Die Niedertemperatur-Rasterelektronenmikroskopie (LT-SEM) ist auch für die Abbildung temperaturempfindlicher Materialien wie Eis und Fette geeignet. ⓘ
Gefrierbruch, Freeze-etch oder Freeze-and-Break ist eine Präparationsmethode, die sich besonders für die Untersuchung von Lipidmembranen und den darin eingebetteten Proteinen in der "face on"-Ansicht eignet. Die Präparationsmethode macht die in die Lipiddoppelschicht eingebetteten Proteine sichtbar. ⓘ
Materialien
Für die Bildgebung mit rückgestreuten Elektronen, die quantitative Röntgenanalyse und die Röntgenkartierung von Proben müssen die Oberflächen oft geschliffen und poliert werden, um eine ultraglatte Oberfläche zu erhalten. Proben, die einer WDS- oder EDS-Analyse unterzogen werden, sind häufig mit Kohlenstoff beschichtet. Im Allgemeinen werden Metalle vor der Bildgebung im REM nicht beschichtet, da sie leitfähig sind und ihren eigenen Weg zum Boden finden. ⓘ
Die Fraktografie ist die Untersuchung gebrochener Oberflächen, die mit einem Lichtmikroskop oder üblicherweise mit einem REM durchgeführt werden kann. Die zerbrochene Oberfläche wird auf eine geeignete Größe zugeschnitten, von organischen Rückständen gereinigt und auf einem Probenhalter für die Betrachtung im REM befestigt. ⓘ
Integrierte Schaltkreise können mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) oder einem anderen Ionenstrahl-Fräsinstrument für die Betrachtung im REM geschnitten werden. Im ersten Fall kann das REM in den FIB integriert werden, was eine hochauflösende Abbildung des Ergebnisses des Prozesses ermöglicht. ⓘ
Metalle, geologische Proben und integrierte Schaltkreise können für die Betrachtung im REM auch chemisch poliert werden. ⓘ
Für die hochauflösende Abbildung von anorganischen Dünnschichten sind spezielle hochauflösende Beschichtungstechniken erforderlich. ⓘ
Abtastverfahren und Bilderzeugung
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In einem typischen REM wird ein Elektronenstrahl thermionisch von einer Elektronenkanone mit einer Wolframglühkathode emittiert. Wolfram wird normalerweise in thermionischen Elektronenkanonen verwendet, da es von allen Metallen den höchsten Schmelzpunkt und den niedrigsten Dampfdruck hat, so dass es für die Elektronenemission elektrisch erhitzt werden kann, und weil es kostengünstig ist. Andere Arten von Elektronenemittenten sind Lanthanhexaborid (LaB
6)-Kathoden, die in einem Standard-Wolfram-Glühfaden-SEM verwendet werden können, wenn das Vakuumsystem aufgerüstet wird, oder Feldemissionskanonen (FEG), die entweder Kaltkathoden mit Wolfram-Einkristall-Emittern oder thermisch unterstützte Schottky-Emitter verwenden, die mit Zirkoniumoxid beschichtete Wolfram-Einkristalle einsetzen. ⓘ
Der Elektronenstrahl, der in der Regel eine Energie zwischen 0,2 keV und 40 keV hat, wird durch eine oder zwei Kondensorlinsen auf einen Punkt mit einem Durchmesser von 0,4 nm bis 5 nm fokussiert. Der Strahl durchläuft in der Elektronensäule, in der Regel in der letzten Linse, Paare von Abtastspulen oder Ablenkplattenpaaren, die den Strahl in der x- und y-Achse ablenken, so dass er rasterförmig über einen rechteckigen Bereich der Probenoberfläche abläuft. ⓘ
Wenn der primäre Elektronenstrahl mit der Probe wechselwirkt, verlieren die Elektronen Energie durch wiederholte zufällige Streuung und Absorption in einem tropfenförmigen Volumen der Probe, dem so genannten Wechselwirkungsvolumen, das sich von weniger als 100 nm bis etwa 5 µm in die Oberfläche erstreckt. Die Größe des Wechselwirkungsvolumens hängt von der Landeenergie des Elektrons, der Ordnungszahl der Probe und der Probendichte ab. Der Energieaustausch zwischen dem Elektronenstrahl und der Probe führt zur Reflexion hochenergetischer Elektronen durch elastische Streuung, zur Emission von Sekundärelektronen durch inelastische Streuung und zur Emission elektromagnetischer Strahlung, die jeweils mit speziellen Detektoren nachgewiesen werden können. Der von der Probe absorbierte Strahlstrom kann ebenfalls erfasst und zur Erstellung von Bildern der Stromverteilung in der Probe verwendet werden. Elektronische Verstärker verschiedener Art dienen zur Verstärkung der Signale, die als Helligkeitsschwankungen auf einem Computermonitor (oder bei älteren Modellen auf einer Kathodenstrahlröhre) angezeigt werden. Jedes Pixel des Computer-Videospeichers wird mit der Position des Strahls auf der Probe im Mikroskop synchronisiert, und das resultierende Bild ist daher eine Verteilungskarte der Intensität des Signals, das von dem abgetasteten Bereich der Probe ausgesendet wird. Ältere Mikroskope nehmen Bilder auf Film auf, aber die meisten modernen Geräte erfassen digitale Bilder. ⓘ
Vergrößerung
Die Vergrößerung in einem SEM kann über einen Bereich von etwa 6 Größenordnungen von etwa 10 bis 3.000.000 Mal gesteuert werden. Im Gegensatz zu Licht- und Transmissionselektronenmikroskopen ist die Bildvergrößerung in einem REM nicht von der Stärke des Objektivs abhängig. REMs können zwar über Kondensor- und Objektivlinsen verfügen, aber ihre Funktion besteht darin, den Strahl auf einen Punkt zu fokussieren, und nicht darin, die Probe abzubilden. Unter der Voraussetzung, dass die Elektronenkanone einen Strahl mit ausreichend kleinem Durchmesser erzeugen kann, könnte ein REM im Prinzip ganz ohne Kondensor oder Objektivlinsen arbeiten, auch wenn es möglicherweise nicht sehr vielseitig ist oder keine sehr hohe Auflösung erreicht. Wie bei der Rastersondenmikroskopie ergibt sich auch beim REM die Vergrößerung aus dem Verhältnis zwischen dem Raster auf dem Anzeigegerät und den Abmessungen des Rasters auf der Probe. Geht man davon aus, dass der Bildschirm eine feste Größe hat, ergibt sich eine höhere Vergrößerung aus der Verkleinerung des Rasters auf der Probe und umgekehrt. Die Vergrößerung wird daher durch den Strom, der den x- und y-Abtastspulen zugeführt wird, oder durch die Spannung, die den x- und y-Ablenkplatten zugeführt wird, gesteuert und nicht durch die Leistung des Objektivs. ⓘ
Nachweis von Sekundärelektronen
Der gängigste Abbildungsmodus sammelt niederenergetische (<50 eV) Sekundärelektronen, die durch inelastische Streuwechselwirkungen mit Strahlelektronen aus den Leitungs- oder Valenzbändern der Probenatome herausgeschlagen werden. Aufgrund ihrer geringen Energie stammen diese Elektronen aus einem Bereich von wenigen Nanometern unterhalb der Probenoberfläche. Die Elektronen werden mit einem Everhart-Thornley-Detektor nachgewiesen, der eine Art Kollektor-Szintillator-Photomultiplier-System ist. Die Sekundärelektronen werden zunächst gesammelt, indem sie auf ein elektrisch vorgespanntes Gitter bei etwa +400 V gelenkt werden, und dann weiter auf einen Phosphor oder Szintillator beschleunigt, der auf etwa +2.000 V vorgespannt ist. Die beschleunigten Sekundärelektronen sind nun energiereich genug, um den Szintillator zur Aussendung von Lichtblitzen (Kathodolumineszenz) zu veranlassen, die über einen Lichtleiter und ein Fenster in der Wand der Probenkammer zu einem Fotovervielfacher außerhalb der REM-Säule geleitet werden. Das verstärkte elektrische Signal des Photomultipliers wird als zweidimensionale Intensitätsverteilung dargestellt, die auf einem analogen Videobildschirm betrachtet und fotografiert oder einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen und als digitales Bild dargestellt und gespeichert werden kann. Dieses Verfahren beruht auf einem rasterförmig abgetasteten Primärstrahl. Die Helligkeit des Signals hängt von der Anzahl der Sekundärelektronen ab, die den Detektor erreichen. Tritt der Strahl senkrecht zur Oberfläche in die Probe ein, so ist der aktivierte Bereich gleichmäßig um die Achse des Strahls verteilt und eine bestimmte Anzahl von Elektronen "entweicht" aus dem Inneren der Probe. Mit zunehmendem Einfallswinkel vergrößert sich das Wechselwirkungsvolumen und die "Fluchtdistanz" einer Seite des Strahls nimmt ab, was dazu führt, dass mehr Sekundärelektronen aus der Probe emittiert werden. Daher sind steile Oberflächen und Kanten tendenziell heller als flache Oberflächen, was zu Bildern mit einem gut definierten, dreidimensionalen Aussehen führt. Mit dem Signal der Sekundärelektronen ist eine Bildauflösung von weniger als 0,5 nm möglich. ⓘ
Detektion von rückgestreuten Elektronen
Oben: Rückstreuelektronenanalyse - Zusammensetzung
Unten: Sekundärelektronenanalyse - Topographie ⓘ
Rückgestreute Elektronen (BSE) bestehen aus hochenergetischen Elektronen, die aus dem Elektronenstrahl stammen und durch elastische Streuwechselwirkungen mit Probenatomen aus dem Wechselwirkungsvolumen der Probe reflektiert oder zurückgestreut werden. Da schwere Elemente (hohe Ordnungszahl) Elektronen stärker zurückstreuen als leichte Elemente (niedrige Ordnungszahl) und daher im Bild heller erscheinen, werden BSE verwendet, um Kontraste zwischen Bereichen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung zu erkennen. Der Everhart-Thornley-Detektor, der normalerweise an einer Seite der Probe angebracht ist, ist für den Nachweis rückgestreuter Elektronen ineffizient, weil nur wenige solcher Elektronen in dem vom Detektor eingeschlossenen Raumwinkel emittiert werden und weil das positiv vorgespannte Detektionsgitter kaum in der Lage ist, die höherenergetischen BSE anzuziehen. Dedizierte Detektoren für rückgestreute Elektronen werden über der Probe in einer "Doughnut"-artigen Anordnung positioniert, konzentrisch zum Elektronenstrahl, um den Raumwinkel der Erfassung zu maximieren. BSE-Detektoren sind in der Regel entweder Szintillator- oder Halbleiterdetektoren. Wenn alle Teile des Detektors verwendet werden, um Elektronen symmetrisch zum Strahl zu sammeln, wird ein Atomzahlkontrast erzeugt. Ein starker topografischer Kontrast wird jedoch erzeugt, wenn die rückgestreuten Elektronen von einer Seite über der Probe mit einem asymmetrischen, gerichteten BSE-Detektor gesammelt werden; der resultierende Kontrast erscheint als Beleuchtung der Topografie von dieser Seite. Halbleiterdetektoren können in radialen Segmenten hergestellt werden, die ein- oder ausgeschaltet werden können, um die Art des erzeugten Kontrasts und seine Richtung zu steuern. ⓘ
Rückgestreute Elektronen können auch verwendet werden, um ein Elektronenrückstreuungsbeugungsbild (EBSD) zu erzeugen, das zur Bestimmung der kristallografischen Struktur der Probe verwendet werden kann. ⓘ
Strahleninjektionsanalyse von Halbleitern
Aufgrund der Art der Sonde des REM, nämlich der energiereichen Elektronen, eignet sich das Gerät hervorragend für die Untersuchung der optischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien. Die hochenergetischen Elektronen des REM-Strahls injizieren Ladungsträger in den Halbleiter. So verlieren die Strahlelektronen Energie, indem sie Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband befördern und Löcher zurücklassen. ⓘ
In einem Material mit direkter Bandlücke führt die Rekombination dieser Elektronen-Loch-Paare zu Kathodolumineszenz. Wenn die Probe ein internes elektrisches Feld enthält, wie z. B. bei einem p-n-Übergang, führt die Injektion von Ladungsträgern durch den REM-Strahl zu einem elektronenstrahlinduzierten Stromfluss (EBIC). Kathodolumineszenz und EBIC werden als "Strahleninjektionstechniken" bezeichnet und sind sehr leistungsfähige Sonden für das optoelektronische Verhalten von Halbleitern, insbesondere zur Untersuchung von Merkmalen und Defekten im Nanobereich. ⓘ
Kathodolumineszenz
Die Kathodolumineszenz, d. h. die Emission von Licht, wenn durch hochenergetische Elektronen angeregte Atome in ihren Grundzustand zurückkehren, ist mit der UV-induzierten Fluoreszenz vergleichbar, und einige Materialien wie Zinksulfid und einige Fluoreszenzfarbstoffe zeigen beide Phänomene. In den letzten Jahrzehnten wurde die Kathodolumineszenz meist als Lichtemission von der Innenseite der Kathodenstrahlröhre in Fernsehgeräten und CRT-Monitoren von Computern wahrgenommen. Im REM sammeln CL-Detektoren entweder das gesamte von der Probe emittierte Licht oder können die von der Probe emittierten Wellenlängen analysieren und ein Emissionsspektrum oder ein Bild der Verteilung der von der Probe emittierten Kathodolumineszenz in Echtfarbe anzeigen. ⓘ
Röntgen-Mikroanalyse
Charakteristische Röntgenstrahlen, die durch die Wechselwirkung von Elektronen mit der Probe erzeugt werden, können auch in einem REM nachgewiesen werden, das für energiedispersive Röntgenspektroskopie oder wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie ausgerüstet ist. Die Analyse der Röntgensignale kann dazu verwendet werden, die Verteilung der Elemente in der Probe abzubilden und ihre Häufigkeit zu schätzen. ⓘ
Auflösung des SEM
Das REM ist keine Kamera und der Detektor ist nicht kontinuierlich bildgebend wie ein CCD-Array oder ein Film. Anders als bei einem optischen System ist die Auflösung nicht durch die Beugungsgrenze, die Feinheit von Linsen oder Spiegeln oder die Auflösung der Detektoranordnung begrenzt. Die Fokussierungsoptik kann groß und grob sein, und der SE-Detektor ist faustgroß und erfasst lediglich den Strom. Stattdessen hängt die räumliche Auflösung des REM von der Größe des Elektronenflecks ab, die wiederum sowohl von der Wellenlänge der Elektronen als auch vom elektronenoptischen System abhängt, das den Abtaststrahl erzeugt. Die Auflösung wird auch durch die Größe des Wechselwirkungsvolumens begrenzt, d. h. das Volumen des Probenmaterials, das mit dem Elektronenstrahl wechselwirkt. Die Spotgröße und das Wechselwirkungsvolumen sind beide groß im Vergleich zu den Abständen zwischen den Atomen, so dass die Auflösung des SEM nicht hoch genug ist, um einzelne Atome abzubilden, wie es mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) möglich ist. Das Rasterelektronenmikroskop hat jedoch kompensierende Vorteile, z. B. die Möglichkeit, einen vergleichsweise großen Bereich der Probe abzubilden, die Möglichkeit, Massenmaterialien abzubilden (nicht nur dünne Filme oder Folien), und die Vielzahl der Analysemodi, die zur Messung der Zusammensetzung und der Eigenschaften der Probe zur Verfügung stehen. Je nach Gerät kann die Auflösung zwischen weniger als 1 nm und 20 nm liegen. Seit 2009 erreicht das weltweit höchstauflösende konventionelle (≤30 kV) REM unter Verwendung eines Sekundärelektronendetektors eine Punktauflösung von 0,4 nm. ⓘ
Die mit einem Rasterelektronenmikroskop erzeugten Bilder sind Abbildungen der Objektoberflächen und weisen im Vergleich zu Bildern, die mit lichtoptischen Durchlichtmikroskopen erzeugt werden, eine höhere Schärfentiefe auf. Das Auflösungsvermögen ist außer vom Strahldurchmesser natürlich stark von Probe und gewähltem Abbildungssignal abhängig und beträgt bei günstigen Verhältnissen typisch um 1 nm…2 nm. Der damit maximale sinnvolle Vergrößerungsfaktor liegt etwa bei 1.000.000:1, während dieser bei der Lichtmikroskopie bei etwa 2000:1 liegt. ⓘ
Im Vergleich zum Transmissionselektronenmikroskop erzielt das Rasterelektronenmikroskop eine geringere Auflösung. Jedoch wird bei der Probenpräparation für die Transmissionselektronenmikroskopie die Probe stark verändert, da das Präparat sehr dünn sein muss. Hingegen bleibt die Probe beim Rasterelektronenmikroskop mechanisch intakt. ⓘ
SEM in der Umwelt
Bei der konventionellen REM müssen die Proben im Vakuum abgebildet werden, da eine Gasatmosphäre die Elektronenstrahlen schnell streut und abschwächt. Folglich müssen Proben, die eine beträchtliche Menge an Dampf erzeugen, z. B. feuchte biologische Proben oder ölhaltiges Gestein, entweder getrocknet oder kryogenisch eingefroren werden. Prozesse, bei denen es zu Phasenübergängen kommt, wie z. B. das Trocknen von Klebstoffen oder das Schmelzen von Legierungen, der Flüssigkeitstransport, chemische Reaktionen und Fest-Luft-Gas-Systeme, können im Allgemeinen nicht mit dem herkömmlichen Hochvakuum-SEM beobachtet werden. Beim Umwelt-SEM (ESEM) wird die Kammer evakuiert, aber der Wasserdampf wird nahe seinem Sättigungsdruck gehalten, und der Restdruck bleibt relativ hoch. Dies ermöglicht die Analyse von Proben, die Wasser oder andere flüchtige Substanzen enthalten. Mit ESEM sind Beobachtungen an lebenden Insekten möglich. ⓘ
Die erste kommerzielle Entwicklung des ESEM in den späten 1980er Jahren ermöglichte die Beobachtung von Proben in gasförmigen Umgebungen mit niedrigem Druck (z.B. 1-50 Torr oder 0,1-6,7 kPa) und hoher relativer Luftfeuchtigkeit (bis zu 100%). Ermöglicht wurde dies durch die Entwicklung eines Sekundärelektronendetektors, der auch in Gegenwart von Wasserdampf arbeiten kann, und durch die Verwendung von druckbegrenzenden Blenden mit Differentialpumpen im Elektronenstrahl, um den Vakuumbereich (um die Kanone und die Linsen) von der Probenkammer zu trennen. Die ersten kommerziellen ESEMs wurden 1988 von der ElectroScan Corporation in den USA hergestellt. ElectroScan wurde 1996 von Philips übernommen (das seinen Geschäftsbereich Elektronenoptik später an FEI Company verkaufte). ⓘ
ESEM ist besonders nützlich für nichtmetallische und biologische Materialien, da eine Beschichtung mit Kohlenstoff oder Gold nicht erforderlich ist. Unbeschichtete Kunststoffe und Elastomere können routinemäßig untersucht werden, ebenso wie unbeschichtete biologische Proben. Dies ist nützlich, da Beschichtungen schwer rückgängig zu machen sind, kleine Merkmale auf der Oberfläche der Probe verdecken und den Wert der erhaltenen Ergebnisse verringern können. Die Röntgenanalyse ist bei einer Schwermetallbeschichtung schwierig, daher werden in konventionellen REMs routinemäßig Kohlenstoffbeschichtungen verwendet. Mit ESEM ist es jedoch möglich, Röntgenmikroanalysen an unbeschichteten, nichtleitenden Proben durchzuführen; allerdings treten bei der Röntgenanalyse einige für ESEM spezifische Artefakte auf. ESEM kann die bevorzugte Methode für die Elektronenmikroskopie einzigartiger Proben aus Straf- oder Zivilprozessen sein, bei denen die forensische Analyse möglicherweise von mehreren verschiedenen Experten wiederholt werden muss. Es ist möglich, mit ESEM oder anderen Flüssigphasen-Elektronenmikroskopieverfahren Proben in Flüssigkeit zu untersuchen. ⓘ
Transmissions-REM
Das REM kann auch im Transmissionsmodus verwendet werden, indem einfach ein geeigneter Detektor unter einem dünnen Probenabschnitt angebracht wird. Es gibt Detektoren für Hellfeld, Dunkelfeld sowie segmentierte Detektoren für mittleres bis ringförmiges Dunkelfeld mit hohem Winkel. Trotz des Unterschieds in der Geräteausstattung wird diese Technik im Allgemeinen als Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) bezeichnet. ⓘ
Farbe im SEM
Elektronenmikroskope erzeugen naturgemäß keine Farbbilder, da ein REM einen einzigen Wert pro Pixel erzeugt; dieser Wert entspricht der Anzahl der Elektronen, die der Detektor während eines kurzen Zeitraums der Abtastung empfängt, wenn der Strahl auf die (x, y)-Pixelposition gerichtet ist. ⓘ
Dieser einzelne Wert wird in der Regel für jedes Pixel durch eine Graustufe dargestellt, wodurch ein monochromes Bild entsteht. Es gibt jedoch mehrere Möglichkeiten, um farbige Elektronenmikroskopiebilder zu erhalten. ⓘ
Falschfarben mit einem einzigen Detektor
- Bei Kompositionsbildern von flachen Oberflächen (typischerweise BSE):
Die einfachste Methode, Farbe zu erhalten, besteht darin, dieser einzigen Zahl eine beliebige Farbe zuzuordnen, indem eine Farbtabelle verwendet wird (d. h. jede Graustufe wird durch eine ausgewählte Farbe ersetzt). Diese Methode wird als Falschfarbendarstellung bezeichnet. Bei einem BSE-Bild kann eine Falschfarbendarstellung durchgeführt werden, um die verschiedenen Phasen der Probe besser zu unterscheiden.
- Bei Bildern mit texturierter Oberfläche:
Als Alternative zum einfachen Ersetzen jeder Graustufe durch eine Farbe können Forscher bei einer mit einem Schrägstrahl betrachteten Probe ein annäherndes Topographiebild erstellen (siehe weiterer Abschnitt "Photometrisches 3D-Rendering aus einem einzigen REM-Bild"). Diese Topografie kann dann von 3D-Rendering-Algorithmen verarbeitet werden, um eine natürlichere Wiedergabe der Oberflächentextur zu erhalten ⓘ
Oberfläche eines Nierensteins
Das Gleiche nach der Neubearbeitung der Farbe anhand der geschätzten Topografie
REM-Aufnahme eines diagenetisch veränderten Diskoasters
Dasselbe Bild nach ähnlicher Einfärbung ⓘ
Einfärbung von SEM-Bildern
Sehr oft werden veröffentlichte REM-Bilder künstlich eingefärbt. Dies kann aus ästhetischen Gründen geschehen, um die Struktur zu verdeutlichen oder um der Probe ein realistisches Aussehen zu verleihen, und liefert im Allgemeinen keine zusätzlichen Informationen über die Probe. ⓘ
Die Einfärbung kann manuell mit einer Bildbearbeitungssoftware oder halbautomatisch mit einer speziellen Software zur Merkmalserkennung oder objektorientierten Segmentierung erfolgen. ⓘ
REM-Bild von Cobaea scandens-Pollen
Dasselbe Bild nach halbautomatischer Färbung. Beliebige Farben helfen bei der Identifizierung der verschiedenen Elemente der Struktur
Gefärbtes SEM-Bild von Tradescantia-Pollen und Staubblättern
Farbiges SEM-Bild von nativem Gold und Arsenopyrit-Kristallverwachsungen ⓘ
Mit mehreren Elektronendetektoren erzeugte Farbe
In einigen Konfigurationen werden mehr Informationen pro Pixel erfasst, oft durch den Einsatz mehrerer Detektoren. ⓘ
Ein gängiges Beispiel ist die Überlagerung von Sekundärelektronen- und Rückstreuelektronen-Detektoren, wobei jedem der von den einzelnen Detektoren aufgenommenen Bilder eine Farbe zugeordnet wird, so dass am Ende ein kombiniertes Farbbild entsteht, bei dem sich die Farben auf die Dichte der Komponenten beziehen. Diese Methode wird als dichteabhängiges Farb-SEM (DDC-SEM) bezeichnet. Die mit DDC-SEM erzeugten Schliffbilder enthalten topografische Informationen, die mit dem Sekundärelektronendetektor besser erfasst werden können, und kombinieren diese mit den Informationen über die Dichte, die mit dem Detektor für rückgestreute Elektronen gewonnen werden. ⓘ
DDC-SEM von kalzifizierten Partikeln im Herzgewebe - Signal 1 : SE
Signal 2: BSE
Eingefärbtes Bild aus den beiden vorherigen. Dichteabhängige farbige Rasterelektronenmikroskopie (DDC-SEM) einer kardiovaskulären Verkalkung, die in Orange ein kugelförmiges Kalziumphosphatteilchen (dichteres Material) und in Grün die extrazelluläre Matrix (weniger dichtes Material) zeigt
Dieselbe Arbeit in einer größeren Ansicht, Teil einer Studie über die Verkalkung von menschlichem kardiovaskulärem Gewebe ⓘ
Analytische Signale auf der Grundlage der erzeugten Photonen
Die Messung der Energie der von der Probe emittierten Photonen ist eine gängige Methode, um analytische Fähigkeiten zu erhalten. Beispiele hierfür sind die Detektoren der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS), die in der Elementaranalyse verwendet werden, und Kathodolumineszenz-Mikroskopsysteme (CL), die die Intensität und das Spektrum der elektroneninduzierten Lumineszenz in (z. B.) geologischen Proben analysieren. In REM-Systemen, die diese Detektoren verwenden, ist es üblich, diese zusätzlichen Signale farblich zu kodieren und sie in einem einzigen Farbbild zu überlagern, so dass Unterschiede in der Verteilung der verschiedenen Komponenten der Probe deutlich zu sehen und zu vergleichen sind. Optional kann das Standard-Sekundärelektronenbild mit einem oder mehreren Zusammensetzungskanälen zusammengeführt werden, so dass die Struktur und Zusammensetzung der Probe verglichen werden kann. Solche Bilder können unter Beibehaltung der vollständigen Integrität der ursprünglichen Signaldaten erstellt werden, die in keiner Weise verändert werden. ⓘ
3D im SEM
Im Gegensatz zu SPMs liefern REMs von Natur aus keine 3D-Bilder. Allerdings können 3D-Daten mit einem REM mit verschiedenen Methoden wie folgt gewonnen werden. ⓘ
3D-REM-Rekonstruktion aus einem Stereopaar
- Die Photogrammetrie ist die messtechnisch genaueste Methode, um REM-Bildern die dritte Dimension zu verleihen. Im Gegensatz zu den photometrischen Methoden (nächster Abschnitt) werden bei der Photogrammetrie absolute Höhen mit Hilfe von Triangulationsmethoden berechnet. Der Nachteil ist, dass sie nur funktioniert, wenn eine minimale Textur vorhanden ist, und dass zwei Bilder aus zwei verschiedenen Winkeln aufgenommen werden müssen, was die Verwendung eines Kipptischs voraussetzt. (Photogrammetrie ist ein Softwareverfahren, das für jedes Pixel die Verschiebung (oder "Disparität") zwischen dem linken und dem rechten Bild desselben Paares berechnet. Diese Disparität spiegelt die lokale Höhe wider). ⓘ
Ein REM-Stereopaar von Mikrofossilien von weniger als 1 mm Größe (Ostracoda), das durch Kippen entlang der Längsachse erzeugt wurde.
Aus diesem Paar von REM-Bildern wurde die dritte Dimension durch Photogrammetrie rekonstruiert (mit MountainsSEM-Software, siehe nächstes Bild); anschließend wurde eine Reihe von 3D-Darstellungen mit verschiedenen Winkeln erstellt und in einer GIF-Datei zusammengefügt, um diese Animation zu erstellen.
3D-Oberflächenrekonstruktion einer (Ra = 3 µm) Rauheitskalibrierungsprobe (wie sie zur Kalibrierung von Profilometern verwendet wird), aus 2 um 15° gekippten Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (oben links). Die Berechnung des 3D-Modells (unten rechts) dauert etwa 1,5 Sekunden, und der Fehler des berechneten Rauheitswertes Ra beträgt weniger als 0,5 %. ⓘ
.gif)
Photometrische 3D-SEM-Rekonstruktion aus einem Vier-Quadranten-Detektor durch "Form aus Schattierung"
Bei dieser Methode wird in der Regel ein Vier-Quadranten-BSE-Detektor verwendet (bei einem Hersteller alternativ ein 3-Segment-Detektor). Das Mikroskop erzeugt vier Bilder derselben Probe zur gleichen Zeit, so dass kein Kippen der Probe erforderlich ist. Die Methode liefert messtechnische 3D-Abmessungen, sofern die Neigung der Probe angemessen bleibt. Die meisten REM-Hersteller bieten heute (2018) einen solchen eingebauten oder optionalen Vier-Quadranten-BSE-Detektor an, zusammen mit einer eigenen Software zur Berechnung eines 3D-Bildes in Echtzeit. ⓘ
Andere Ansätze verwenden anspruchsvollere (und manchmal GPU-intensive) Methoden wie den Algorithmus zur optimalen Schätzung und bieten wesentlich bessere Ergebnisse auf Kosten hoher Anforderungen an die Rechenleistung. ⓘ
In allen Fällen funktioniert dieser Ansatz durch Integration der Neigung, so dass vertikale Neigungen und Überhänge ignoriert werden. Wenn beispielsweise eine ganze Kugel auf einer Ebene liegt, sieht man nur wenig mehr als die obere Hemisphäre über der Ebene auftauchen, was zu einer falschen Höhe des Kugelscheitels führt. Wie ausgeprägt dieser Effekt ist, hängt vom Winkel der BSE-Detektoren zur Probe ab, aber diese Detektoren befinden sich in der Regel in der Nähe des Elektronenstrahls, so dass dieser Effekt sehr häufig auftritt. ⓘ
Photometrisches 3D-Rendering aus einem einzigen REM-Bild
Diese Methode erfordert ein REM-Bild, das bei schräger Beleuchtung mit geringem Winkel aufgenommen wurde. Die Graustufe wird dann als Neigung interpretiert und die Neigung integriert, um die Topografie der Probe wiederherzustellen. Diese Methode ist für die visuelle Verbesserung und die Erkennung der Form und Position von Objekten interessant; allerdings können die vertikalen Höhen im Gegensatz zu anderen Methoden wie der Photogrammetrie normalerweise nicht kalibriert werden. ⓘ
REM-Aufnahme der Oberfläche eines Stubenfliegen-Mittelauges bei 450facher Vergrößerung.
Ausschnitt aus dem vorherigen Bild.
REM-3D-Rekonstruktion aus dem vorigen Bild unter Verwendung von Algorithmen zur Formgebung durch Schattierung.
Wie das vorige Bild, jedoch mit homogenisierter Beleuchtung vor Anwendung der Algorithmen für die Formgebung durch Schattierung ⓘ
Andere Arten der 3D-SEM-Rekonstruktion
- Inverse Rekonstruktion mit interaktiven Elektronen-Material-Modellen
- Multi-Resolution-Rekonstruktion unter Verwendung einer einzigen 2D-Datei: Hochwertige 3D-Bilder können die ultimative Lösung sein, um die Komplexität poröser Medien aufzudecken, aber ihre Beschaffung ist kostspielig und zeitaufwändig. Hochwertige 2D-SEM-Bilder sind dagegen weithin verfügbar. Kürzlich wurde eine neuartige dreistufige, mehrskalige Rekonstruktionsmethode vorgestellt, die 2D-Bilder direkt zur Entwicklung von 3D-Modellen verwendet. Diese Methode, die auf der Shannon-Entropie und der bedingten Simulation basiert, kann für die meisten verfügbaren stationären Materialien verwendet werden und ermöglicht die Erstellung verschiedener stochastischer 3D-Modelle mit nur wenigen Dünnschnitten.
- Ionenabrasions-SEM (IA-SEM) ist eine Methode zur 3D-Abbildung im Nanomaßstab, bei der ein fokussierter Galliumstrahl die Probenoberfläche wiederholt um jeweils 20 Nanometer abschleift. Jede freigelegte Oberfläche wird dann gescannt, um ein 3D-Bild zu erstellen. ⓘ
Anwendungen des 3D-SEM
Eine mögliche Anwendung ist die Messung der Rauheit von Eiskristallen. Bei dieser Methode werden der variable Umgebungsdruck des REM und die 3D-Fähigkeiten des REM kombiniert, um die Rauheit einzelner Eiskristallfacetten zu messen, sie in ein Computermodell umzuwandeln und das Modell einer weiteren statistischen Analyse zu unterziehen. Andere Messungen umfassen die fraktale Dimension, die Untersuchung der Bruchfläche von Metallen, die Charakterisierung von Materialien, Korrosionsmessungen und Dimensionsmessungen im Nanobereich (Stufenhöhe, Volumen, Winkel, Ebenheit, Lagerungsgrad, Koplanarität usw.). ⓘ
SEM wird auch von Kunstrestauratoren eingesetzt, um die Gefährdung der Oberflächenstabilität von Gemälden durch Alterung zu erkennen, wie z. B. die Bildung von Komplexen von Zinkionen mit Fettsäuren. Gerichtsmediziner verwenden SEM, um Kunstfälschungen zu erkennen. ⓘ
Galerie der SEM-Bilder
Im Folgenden finden Sie Beispiele für Bilder, die mit einem SEM aufgenommen wurden. ⓘ
Eingefärbtes REM-Bild von Sojabohnenzystennematoden und Eiern. Die künstliche Einfärbung erleichtert es dem Laien, die in den Schliffbildern erkennbaren Strukturen und Oberflächen zu betrachten und zu verstehen.
Zusammengesetztes Auge des Antarktischen Krills Euphausia superba. Die Augen von Arthropoden sind aufgrund der Tiefenschärfe, die ein REM-Bild erfassen kann, ein häufiges Motiv in REM-Aufnahmen. Farbiges Bild.
Ommatidien des Auges des Antarktischen Krills, eine höhere Vergrößerung des Krillauges. REMs decken einen Bereich ab, der von der Lichtmikroskopie bis zu den Vergrößerungen reicht, die mit einem TEM möglich sind. Farbiges Bild.
REM-Bild eines normalen zirkulierenden menschlichen Blutes. Dies ist eine ältere und verrauschte Aufnahme eines häufigen Motivs für REM-Aufnahmen: rote Blutkörperchen.
REM-Aufnahme eines Hederelloids aus dem Devon von Michigan (größter Röhrendurchmesser: 0,75 mm). Das REM wird in großem Umfang für die Aufnahme detaillierter Bilder von Mikro- und Makrofossilien verwendet.
Rückgestreutes Elektronenbild (BSE) einer antimonreichen Region in einem alten Glasfragment. Museen verwenden REMs zur zerstörungsfreien Untersuchung wertvoller Artefakte.
REM-Aufnahme der Korrosionsschicht auf der Oberfläche eines antiken Glasfragments; beachten Sie die laminare Struktur der Korrosionsschicht.
REM-Aufnahme einer Fotolackschicht, die in der Halbleiterherstellung verwendet wird, aufgenommen mit einem Feldemissions-SEM. Diese Rasterelektronenmikroskope sind in der Halbleiterindustrie wegen ihrer hohen Auflösung wichtig.
REM-Aufnahme der Oberfläche eines Nierensteins, die tetragonale Weddellit-Kristalle (Calciumoxalat-Dihydrat) zeigt, die aus dem amorphen Mittelteil des Steins hervortreten. Die horizontale Länge des Bildes entspricht 0,5 mm des abgebildeten Originals.
Zwei Bilder desselben tiefen Reifschneekristalls, betrachtet durch ein Lichtmikroskop (links) und als REM-Bild (rechts). Man beachte, wie das REM-Bild eine klare Wahrnehmung der feinen Strukturdetails ermöglicht, die auf dem lichtmikroskopischen Bild nur schwer zu erkennen sind.
Epidermiszellen von der inneren Oberfläche einer Zwiebelschuppe. Unter den zottelgrünen Zellwänden sieht man Zellkerne und kleine Organellen, die im Zytoplasma schwimmen. Dieses BSE-Bild einer mit Lanthanoiden gefärbten Probe wurde ohne vorherige Fixierung, Dehydrierung oder Zerstäubung aufgenommen.
REM-Aufnahme von Spaltöffnungen auf der Unterseite eines Blattes. ⓘ
Elektronenstrahlerzeugung
Der Elektronenstrahl wird in einer Elektronenquelle erzeugt. Dabei handelt es sich bei den einfacheren Geräten um einen haarnadelförmig gebogenen Draht aus Wolfram oder einen LaB6-Kristall (Lanthanhexaborid). Dieser wird erhitzt und emittiert Elektronen (sogenannte Glühkathode), die dann in einem elektrischen Feld mit einer Spannung von typischerweise 8 bis 30 kV beschleunigt werden. ⓘ
Die Technik der Feldemission wird in teureren Geräten verwendet. Die Feldemissionskathode (engl. field emission gun, FEG) besteht aus einer sehr feinen Spitze, aus der durch Anlegen einer sehr hohen elektrischen Feldstärke die Elektronen „heraustunneln“. Man unterscheidet zwischen der kalten Feldemission, bei der aus einer feinen Wolframspitze ohne Heizen der Kathode nur auf Grund des anliegenden elektrischen Feldes die Elektronen austreten, und der thermischen Feldemission, bei der eine Schottky-Kathode leicht geheizt wird. Die thermische Feldemission hat den Vorteil der höheren Strahlintensität. Instrumente mit solchen Elektronenquellen zeichnen sich durch besonders gute Bildqualität schon bei sehr niedriger Beschleunigungsspannung aus. Grund für die bessere Bildqualität ist, dass die Elektronen eine definierte Geschwindigkeit besitzen. ⓘ
Rasterprozess
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. ⓘ
Mit Hilfe von Magnetspulen wird der Elektronenstrahl auf einen Punkt auf dem Objekt fokussiert. Trifft der Elektronenstrahl auf das Objekt, sind verschiedene Wechselwirkungen möglich, deren Detektion Informationen über die Beschaffenheit des Objekts geben. Die Intensität des Signals wird ausgewertet. ⓘ
Der von der Kathode kommende Primärelektronenstrahl wird nun wie bei einem Röhrenfernseher zeilenweise über die Oberfläche des Objekts geführt (Rastern), während das Signal in Grauwertinformationen umgewandelt und synchron auf dem Bildschirm dargestellt wird. Sind alle Zeilen des Bildes abgetastet, fängt das Rastern wieder am oberen Bildrand an und ein neues Bild wird erzeugt. ⓘ
Die Vergrößerung ist nichts anderes als das Verhältnis zwischen abgerasterter Probenfläche und der Monitorgröße. Die Vergrößerung kann bei den meisten Geräten nahezu stufenlos eingestellt werden. ⓘ
Signalarten
Weitere Signalarten
- Probenstrom: Absorbierte Elektronen erzeugen/stellen einen Strom dar, der durch die Probe zur Erde abfließt, und können zur Abbildung der Oberfläche genutzt werden.
- Kathodolumineszenz: Kathodolumineszenz entsteht dadurch, dass einige Stoffe beim Bestrahlen mit Elektronen Licht emittieren. Dieses wird mit einem elliptischen Hohlspiegel abgebildet, da eine Ellipse zwei Brennpunkte besitzt. In einem der beiden Brennpunkte befindet sich die Probe und im anderen die Detektoreinheit. Das Licht 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.
- Augerelektronen: Ein weiterer Interaktionsmechanismus ist die Erzeugung von Augerelektronen. Augerelektronen können anhand von zusätzlich angeschlossenen Spektrometergeräten ausgewertet werden.
- EBSD: Mit Hilfe von Elektronenrückstreubeugung (EBSD, von engl. electron back scatter diffraction) kann man die kristallographische Orientierung von Kristallen an der Objektoberfläche bestimmen. Dies ist beispielsweise zur Charakterisierung von Materialeigenschaften in der Werkstoffwissenschaft und Geologie von großer Bedeutung. Hierzu werden die von den Kristallflächen des Objekts reflektierten Elektronen auf einen Detektorschirm projiziert und die so entstehenden Kikuchi-Linien mit Hilfe eines Computers analysiert und kristallographischen Richtungen zugeordnet. ⓘ
Varianten der Rasterelektronenmikroskopie
ESEM
Eine Variante der Rasterelektronenmikroskope stellt das ESEM (engl. environmental scanning electron microscope, ESEM) dar, bei dem nur die Elektronenstrahlerzeugung im Hochvakuum stattfindet. 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. Außerdem sorgt das Restgas für eine Ladungskompensation, so dass keine Beschichtung der Proben vonnöten ist. ⓘ
STEM
Das Rastertransmissionselektronenmikroskop (engl. scanning transmission electron microscope, STEM) ist eine spezielle Variante des Transmissionselektronenmikroskops. Bei diesem Verfahren befindet sich der Detektor hinter der Probe (in Richtung des Elektronenstrahls gesehen). Es wird also die Streuung der Elektronen in Transmission gemessen. Dazu muss die Probe sehr dünn sein (typischerweise zwischen 50 und 500 nm). Seit einiger Zeit gibt es auch Halbleiterdetektoren für Rasterelektronenmikroskope. ⓘ
SEMPA
Das Rasterelektronenmikroskop mit Polarisationsanalyse (engl. scanning electron microscope with polarization analysis, SEMPA) ist eine spezielle Variante des Rasterelektronenmikroskops. Bei diesem Verfahren wird nicht nur die Anzahl, sondern zusätzlich auch der Spin der Sekundärelektronen (SE) im Detektor analysiert. Hierbei werden zwei Komponenten des Elektronenspins gleichzeitig gemessen. Wird eine magnetische Probe untersucht, so sind die austretenden Sekundärelektronen Spin-polarisiert. Durch eine ortsabhängige Untersuchung der Spin-Polarisation der SE kann ein Bild der magnetischen Domänenstruktur der Probenoberfläche gewonnen werden. ⓘ