Mit Elektronenmikroskopie die Nanowelt erkunden · John J. Bozzola, Lonnie D. Russel, Electron...

D. Gerthsen (LEM, KIT)

Laboratorium für Elektronenmikroskopie, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

www.lem.kit.edu

Mit Elektronenmikroskopie die Nanowelt erkunden

Dagmar Gerthsen

D. Gerthsen (LEM, KIT) 2

Größe von Objekten- Kleine Insekten < 1 mm- Biologische Zellen < 20 µm- Bakterien < 1 µm- Zellmembranen » 10 nm- Atome » 0,1 nm

Auflösung - Auge ~ 0,1 mm- Konventionelle Lichtmikroskopie ~ 0,2 µm- „Superresolution“ Lichtmikroskopie ~ 20 nm- Rasterelektronenmikroskop ~ 1,0 nm- Transmissionselektronenmikroskop ~ 0,05 nm

Abbe‘sche Gleichung für minimalen Abstand getrennt auflösbarer benachbarter Bildpunkte

l»αnλ=d

sin 0.61

λ: Wellenlängen: Bechungsindexa: Aperturwinkel der Linse

Wellenlängen λ:- grünes Licht ~ 500 nm- Ultraviolett (UV) < 250 nm- Röntgenstrahlung < 0,1 nm- Elektronen (20 keV) ~ 10 pm- Elektronen (200 keV) ~ 2,5 pm

Auflösung in der Mikroskopie

D. Gerthsen (LEM, KIT)

Licht- und Materiewellen

Impuls und kinetische Energie eines im Vakuum mit der Spannung U beschleunigten Elektrons

mpeU2

2= eUmp 2=

eUmh

2=l

m, e: Elektronenmasse, Elektronenladungp: Impulsl: WellenlängeU. Beschleunigungsspannungh: Planck´sche Konstante 1.05x10-34 Nms (6.5x10-16 eVs)

Basis der Verbesserung des Auflösungsvermögens: Welle-Teilchen Dualismus (de Bro 1924)

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lhp =

r

Wellenlänge in pm (10-12 m) Elektronenenergie in keV

38,8 1

12,2 10

8,6 20

7,0 30

3,7 100

2,5 200

Rasterelektronen-mikroskopie

Transmissionselektronen-mikroskopie

D. Gerthsen (LEM, KIT)

Nobelpreis für Physik 1986

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Transmissionselektronenmikroskop 1933 (Nachbau)

Ernst Ruska

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Rasterelektronenmikroskopie (REM)

J. Hawecker

Kieselalge

Zecke Oberflächentopographiekleiner Objekte

D. Gerthsen (LEM, KIT)

Das Rasterelektronenmikroskop

Image Process.

• Typische Elektronenenergien wählbar zwischen 1 – 30 keV

• Elektronenlinsen: magnetischeFelder

• Erzeugung eines gebündelten Elektronen-strahls auf der Probenoberfläche

• Probenoberfläche wird „abgerastert“ (Rastergenerator, Ablenkspulen)

• Wechselwirkung zwischen Probe und Strahlelektronen

Emission von Elektronenaus der Probe

• Detektion der emittierten Elektronen(Detektor, Verstärker) Ladung

• zur Abrasterung der Probenoberflächesynchrone Darstellung der Ladung auf einem Bildschirm

Kein abbildendes Linsensystem

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D. Gerthsen (LEM, KIT)

Rasterelektronenmikroskopie

Kosten:100 000 bis 800 000 €

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Magnetische Elektronenlinsen

Elektron mit Geschwindigkeit vim Magnetfeld B:

• Bewegung der Elektronen auf Spiralbahnen• Elektronenlinsen haben schlechte optische Eigenschaften: starke Öffnungsfehler,

Farbfehler, …. Begrenzung des Auflösungsvermögens auf bestenfalls 0,05·10-9 m trotz kleiner Wellenlänge im Bereich von Pikometern (10-12 m)

• Im Rasterelektronenmikroskop: Fokussierung des Elektronenstrahls auf Durchmesservon bestenfalls 0,3 nm

Lorenzkraft

( )BeF v ´-= rr

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Bilderzeugung und Vergrößerung

lLV =Vergrößerung

MonitorProbe

L l

• Elektronenstrahl rastert Pixel-für-Pixel über die Probenoberfläche• Einsammeln von Elektronen (Detektor), die von der Probe emittiert werden,

über Verweildauer des Strahls auf dem Pixel Q(i,j) • Lokale Bildintensität I(i,j) durch Ladung Q(i,j)

kleine Ladung dunkles Pixelhohe Ladung helles Pixel

Ladung Q(i,j)I(Intensität I(i,j)

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Probenpräparation für REM

Anforderungen

1. Elektrisch leitende Probenoberfläche

Aufbringen (Sputtern, Aufdampfen) einer dünnen C- oder Pt-Schicht bei elektrisch

isolierenden Proben

2. Trockene Proben, da Hochvakuum in der Mikroskopkammer

Biologische Objekte müssen getrocknet werden ohne Veränderung

der Objektstruktur

komplexe Prozedur

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Bilderzeugung

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Hohe Schärfentiefe

P. Pfundstein(Laboratorium für Elektronenmikroskopie)

Kleiner Öffnungswinkel des Elektronenstrahls

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Goodhews, Humphreys, Beanland, „Electron Microscopy and Analysis“, Fig. 5.7a

Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen

• Primärelektronen werden in der Probe gestreut: Streuprozesse mit Atomkernen und Elektronen der Probe

Sekundärelektronen (SE) mit geringer kinetischer Energie E< 50 eVRückstreuelektronen (RE) mit höherer kinetischen Energie 50 eV £ E £ E0

• Emission von SE nur, wenn SE in der Nähe der Probenoberfläche entstehen

Primärelektronenenergie E0 (typisch 10 keV)

Primärelektronenstrahl

Probenoberfläche

„Absorbierte“ SE

RE

Emittierte SERE

RE

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Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen

Maximale Austrittstiefe RE~ 0.3 maximale Eindringtiefe

Maximale Austrittstiefe SE~ 1 - 10 nm

Primärelektronenstrahl • Wechselwirkungsvolumen: Einhüllendes Volumen der Elektronenbahnen

• Eindringtiefen zwischen 100 nmund mehreren mm abhängig von- Dichte, mittlere Ordnungszahl

des Probenmaterials- Primärelektronenenergie E0

• Hochauflösende REM nur mit Sekundärelektronen, die nahe der Oberfläche erzeugt werden

• Chemische Analyse durch Analyse der charakteristischen Röntgenstrahlung, die von den Elektronen erzeugt wird

Probenoberfläche

Maximale Eindringtiefeder Primärelektronen

Röntgen-strahlung

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Kontrast bestimmt durch - räumliche Anordnung des Detektors in Relation zum Objekt- lokale Neigung der Probenoberfläche zur Richtung des Primärelektronenstrahls

Topographiekontrast

Abbildung mit Sekundärelektronen

1 mm

Volker Zibat (LEM)

Detektor

+Vbias

SERE

Primärelektronen

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Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen

Probenoberfläche

Anzahl der Rückstreu- und Sekundärelektronen nimmt zu mit zunehmender Neigung der Probenoberfläche in Relation zum Primärelektronenstrahl

höhere Bildhelligkeit für stark geneigte Oberflächen

Primärelektronen

SE

RE

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Kontrast bestimmt durch - lokale Neigung der Probenoberfläche zur Richtung des Primärelektronenstrahls- räumliche Anordnung des Detektors in Relation zum Objekt- Ordnungszahl des Probenmaterials

TopographiekontrastMaterialkontrast

Abbildung mit Rückstreuelektronen

1 mm

Detektor

-Vbias

SERE

Primärelektronen

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1 mm 1 mmb)a)

HT-19 Darmkarzinomzellen nach Inkubation mit Pt-Nanoteilchen

Pt

Pt

Pt

SE Abbildung RE Abbildung

SE und RE Abbildung

P. Brenner, H. Blank (Laboratorium für Elektronenmikroskopie, KIT)

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Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

Philips CM200Auflösungsvermögen 0,24 nm

Oberer Teil der Mikroskopsäule desFEI Titan3 80-300

FEI Titan3 80-300 Auflösungsvermögen 0,07 nm

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Ni2O Nanoteilchen

R. Popescu (LEM) C. Feldmann (Institut für Anorganische Chemie)

Oft keine intuitive Kontrastinterpretation!

Polykristalline SrTiO3 Keramik

Simon Kraschewski (LEM)

Transmissionselektronenmikroskopie

Maximale Probendicke 1 mmInformation über „Probenvolumen“

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R. Schneider (LEM)

Platin Cluster und einzelne Platin Atome auf einem dünnen Kohlenstofffilm

Transmissionselektronenmikroskopie

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Zusammenfassung

Rasterelektronenmikroskopie: Oberflächentopographie und Materialkontrast

• Bilderzeugung ohne abbildendes Linsensystem

• Intuitive Kontrastinterpretation

• Abbildung großer Objekte mit hoher Schärfentiefe

• Abbildung der Oberflächentopographie mit Sekundär-

elektronen mit Auflösung bis in den Bereich von 1 nm

• Materialkontrast bei der Abbildung mit Rückstreu-

elektronen

Transmissionselektronenmikroskopie: Volumeninformation über dünne Probe

• Häufig keine intuitive Kontrastinterpretation

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Literatur

Rasterelektronenmikroskopie

John J. Bozzola, Lonnie D. Russel, Electron Microscopy, Johns and Bartlett Publishers 1998, (electron microscopy for biology and medicine)

Ludwig Reimer, Scanning Electron Microscopy, Springer Verlag, 1985, (Textbook on SEM for physicists)

Peter Fritz Schmidt, Praxis der Rasterelektronenmikroskopie und Mikrobereichsanalyse, Expert Verlag, 1994

P.J. Goodhews, F.J. Humphreys, R. Beanland, Electron Microscopy and Analysis, 3rd edition, Taylor and Francis 2000 (simple introduction to electron microscopy)

Graham Lawes, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Wiley 1987

Oliver Wells (Editor), Scanning Electron Microscopy, McGraw-Hill 1974

Joseph I. Goldstein, Harvey Yakowitz, Practical Scanning Electron Microscopy, Plenum Press 1975

Analytische Techniken

David B. Williams, C. Barry Carter, Transmission Electron Microscopy, Part IV Spectrometry, Plenum Press, 2nd edition 2009

M.H. Loretto, Electron Beam Analysis of Materials, Chapman and Hall, 1984

S.J.B. Reed, Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology, Cambridge University Press 1996