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