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RASTERELEKTRONENMIKROSKOP
SEM (scanning electron microscope)
Sergej Fust
Gliederung
EinführungAufbau und FunktionsweiseSignalverarbeitungZusammenfassungAusblick
ANWENDUNGAUFLÖSUNGSVERMÖGEN
GESCHICHTE
Einführung
Anwendungen
Oberflächenstrukturanalyse massiver Proben
MaterialforschungBiologisch-medizinische Fragestellungen SchadensanalyseKriminalistik Qualitätskontrolle
Auflösungsvermögen
Lichtmikroskop:λ ≈ 0,4 - 0,7 μmd ≈ 0,3 μmpraktisch etwa 1 μmfür große Auflösung: große Linsendurchmesser, kleiner Abstand zum Objekt
SEM:De Broglie Wellenlänge
λ=h/pλ ≈ 0,03 nm für 1 kVd < 1 nm, trotz kleinem Aperturdurchmesser und großem Arbeitsabstand (ca. 10 mm)
Auflösungsvermögen
Geschichte
1925 Magnetfeld als Elektronenlinse (Hans Busch)
Elektromagnetische Linse
Wirkungsweise einer el.-magn. Linse
Geschichte
1925 Magnetfeld als Elektronenlinse (Hans Busch)
1931 Erstes Elektronenmikroskop (Ernst Ruska)
1937 Rasterelektronenmikroskop (Manfred von Ardenne)
1965 Erstes kommerzielles Rasterelektronenmikroskop
Das erste Rasterelektronenmikroskop von M. von Ardenne
AUFBAUSTRAHLERZEUGUNGPROBENPRÄPARATION
Aufbau und Funktionsweise
Aufbau
Modernes Rasterelektronen-mikroskop
Aufbau
ElektronenquelleAnodeMagnetische Linsen
(Kondensoren)AblenkspulenObjektivlinseProbeDetektoren
Strahlerzeugung
Kathode: Wolfram oder LaB6
Glüh-oder Feldemission
Fokkusierung durch Wehnelt-Zylinder
Anodenspannung: 1-30 keV
Cross-over = kleinster Strahldurchmesser (wichtig für zu erreichende Auflösung)
Schem. Aufbau einer Elektronenkanone
Probenpräparation
HochvakuumbeständigWasserfreiLeitend (Beschichtung
aus Gold oder Kohlenstoff)
Mit Gold bedampfte Spinne für eine SEM Aufnahme
SIGNALARTENSIGNALVERARBEITUNG
DETEKTOREN
Signalverarbeitung
Signalarten
Sekundärelektronen Rückgestreute
Elektronen Augerelektronen Röntgenstrahlung Absorbierte
Elektronen
Signalarten
SESE
Meistgenutzte Informationsquelle
Energie: einige wenige eVAus den obersten
Nanometern der Oberfläche
TopographieKontrast durch
Flächenneigung und Kantenkontrast
Signalverarbeitung
Signalverarbeitung
Kanteneffekt anhand einer mit einem SEM aufgenommene Spinne
SESE BSEBSE
Meistgenutzte Informationsquelle
Energie: einige wenige eV
Aus den obersten Nanometern der Oberfläche
TopographieKontrast durch
Flächenneigung und Kantenkontrast
Energie: einige keVIntensität von
Ordnungszahl des Materials abhängig
schwere Elemente = helle Bereiche
Rückschlüsse auf chem. Natur bzw. Verteilung der versch. Materialien
Signalverarbeitung
Signalverarbeitung
BSE
SE
BSE
SE
Vergl. zw. Rückstreu- und Sekundärelektronenaufnahmen
Signalverarbeitung
SE BSE
Aufnahmen von zwei versch. Elementen mit Sekundär- und Rückgestreuten Elektronen (oben: Silizium und Titan, unten: Eisen und Kohlenstoff)
SeSe BSEBSE
Everhart-ThornleyRauscharm, große
Bandbreite Bestandteile:
Szintillator, Faraday-Käfig, Photomultiplier
E-T mit ausgeschaltetem Faraday-Käfig
Donut-förmig über der Probe angeordnet
Szintillator oder Halbleiter
Detektoren
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Vorteile:Größere Auflösung als ein LichtmikroskopKeine Zerstörung der Probe wie beim TEMSehr gute SchärfentiefeKeine Spiegelnde Oberflächen wie beim Lichtmikroskop
Bild eines Schwimmschneekristalls mit Licht- bzw. Rasterelektronenmikroskopie
Zusammenfassung
Vorteile:Größere Auflösung als ein LichtmikroskopKeine Zerstörung der Probe wie beim TEMSehr gute SchärfentiefeKeine Spiegelnde Oberflächen wie beim Lichtmikroskop
Nachteile:Kleinere Auflösung als ein TEMUmständliche VorbehandlungFarbinformation geht verlorenSchädigung der Objekte durch den ElektronenstrahlKeine lebende Objekte
ESEM
Weiterentwicklung
Environmental scanning electron microscope (ESEM)
Geringeres Vakuum, höherer Druck (130-1300 Pa )
Angepasste Detektoren Gas (Wasserdampf, Stickstoff, Luft) statt
Hochvakuum Sekundärelektronen auf dem Weg zum
Detektor beschleunigt (Verstärkungskaskade)
ESEM
Vorteile:Nicht vakuumstabile oder ausgasende ProbenLuftfeuchtigkeit einstellbarBedampfung entfällt
Nachteile:Kleine Vergrößerungen kaum realisierbarFlüssigkeiten sind undurchsichtigRastergeschwindigkeit länger
Das erste ESEM Aufnahme eines Käfers mit einem ESEM
Quellen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Rasterelektronenmikroskop
McMullan, D. (2006). Scanning electron microscopy 1928-1965
http://www.uni-ulm.de/elektronenmikroskopie/REMHerbst2001.html
Rasterelektronenmikroskopie; L. Reimer, G. Pfefferkorn; Springer Verlag (1977)
The scanning electron microscope; Oatley, Charles W