Rasterelektronenmikroskopie Struktur Symmetrie
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STRUKTUREN UND SYMMETRIEN IN DER NANOWELT B3b Mit konventionellen Lichtmikroskopen können Strukturen einer Größe bis hinab zu 200 nm (0,0002 mm) abgebildet werden. Für die Abbildung noch kleinerer Struk - turen werden oft Elektronenmikroskope eingesetzt. Ihre Funktion beruht auf der Entdeckung von Johann Wilhelm Hittorf, Professor für Physik und Chemie an der damaligen Akademie Münster, dass Kathodenstrahlen, also Elektronen, im Magnetfeld abgelenkt werden. Neben konventionellen Transmissionselektronenmikroskopen werden in For- schung und Industrie häufig Rasterelektronenmikroskope verwendet, die einen leicht verständlichen, plastischen Bildeindruck liefern. Zudem können sie sehr kompakt gebaut und einfach bedient werden (siehe Exponat). Hitachi High-Technologies Europe GmbH, Krefeld Kathode magnetische Linse Monitor Ablenkspulen Sekundärelektronen Detektor Detektor rückgestreute Elektronen Detektor Probe Röntgenstrahlen Abbildung von Kupfer-Netzchen auf einem Probenteller mit (1) Sekundärelektronen (SE), (2) Rückstreuelektronen (BSE) und (3, 4) emittierten Röntgenstrahlen. Mit den Sekundärelektronen sieht man die Oberflächenstruktur (Topographie); mit den Rückstreu - elektronen erscheinen Bereiche mit schwereren Elementen heller (Materialkontrast). Im Röntgenlicht kann gezielt nach einzelnen Elementen gesucht werden. Setzt man die Information aus (1), (3) und (4) zusammen, so erhält man ein umfassendes Bild (5), in dem sowohl die Struktur als auch die Materialart zu erkennen sind. Mit verschiedenen Detektoren können zahlreiche Signale zur Bilderzeugung ver - wendet werden. Die wichtigsten sind Die Intensität der Sekundärelektronen ist stark von der Einfallsrichtung auf die Probe abhängig. Daher kann man mit Sekundärelektronen gut die lokale Struktur bzw. Topographie der Probe bestimmen. Das Signal der Rückstreuelektronen ist umso größer, je schwerer das beobach - tete chemische Element ist. Dadurch entsteht ein Materialkontrast. Die energiedispersive Röntgenmikro- analyse nutzt die charakteristische Röntgenstrahlung eines Elements für die Abbildung, sodass die Verteilung der Elemente in der Probe dargestellt werden kann. Streuung der einfallenden Elektronen (Primärstrahl) in der Probe und Entstehungsbereich der verschiedenen Signale. Se - kundär elektronen (SE) entstehen nur in einer dünnen Schicht an der Ober fläche, während Rückstreuelektronen (BSE), eben - so wie die erzeugten Röntgenstrahlen, auch aus tieferen Schichten stammen können. Primärelektronen Sekundärelektronen Rückgestreute Elektronen Rückgestreute Elektronen R ön n s tr h l u ng Elektronen- reichweite Probe In dicken Proben werden die einfallenden Elektronen vielfach gestreut, sodass sich eine Streubirne ausbildet, deren Ausdehnung die Auflösung begrenzt. Eine besonders hohe Auflösung erzielt man, wenn man sehr dünne Proben durch - strahlt. Auch dann werden beim Abrastern der Probe mehrere Signale gleichzeitig aufgezeichnet. Mit dieser Technik, die letztlich die Vorteile der Raster- und der Trans - missionselektronenmikroskopie kombiniert und als Rastertransmissionselektro - nenmikroskopie bezeichnet wird, kann beispielsweise die Verteilung der Elemente in einer dünnen Folie so abgebildet werden, dass einzelne Atome zu erkennen sind. Kathode magnetische Linse Monitor Ablenkspulen Dunkelfeld- Detektor Hellfeld- Detektor Detektor Probe Röntgenstrahlen 0 2 4 6 8 10 12 Energie/keV 0 10000 20000 30000 40000 50000 rel. Intensität Röntgenspektrum der Probe mit dem Kupfergitter. Bei welchen Energien die Probe Röntgenstrahlung aussendet, wenn sie mit Elektronen beschossen wird, ist vom Material abhängig. Bei 8 keV ist beispielsweise die Emissionslinie von Kupfer gut zu sehen. Vergrößerungsserie am Beispiel eines Schmetter lings flügels. Mit zunehmender Vergrö - ßerung werden immer kleinere Details sichtbar. Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops. Der Strahlfleck der Kathode wird verkleinert auf das Objekt abgebildet und mit Hilfe von Ablenk - elementen Punkt für Punkt über die Probe ge - führt. Die Intensität des mit einem Detektor auf - gezeichneten Signals wird auf einem synchron betriebenen Monitor als Helligkeit dargestellt. 1,6 mm („18-fach“) 140 µm („200-fach“) 14 µm („2000-fach“) 1 µm („30.000-fach“) 30 µm Ein Gallium-Arsenid-Kristall wird durchstrahlt. Im Dunkelfeld-Bild (rechts oben) erscheinen die Ga-As Atompaare hell, die Atomsorten können nicht unter - schieden werden. Durch Messung der emittierten Röntgenstrahlung können beide Elemente anhand ihrer Energie getrennt dargestellt werden (unten). Aus der Überlagerung beider Bilder kann man die projizierte Kristallstruktur erkennen (rechts). Der Abstand zwischen den Gallium- und den Arsen- Atomen im Gitter beträgt nur 144 Picometer! Ein Rastertransmissionselektronenmikroskop verfügt über einen Dunkelfeld-Detektor, mit dem die aus dem Primärstrahl herausge - streuten Elektronen nachgewiesen werden können. Große Helligkeit im Bild bedeutet also starke Streuung, die insbesondere durch schwere Elemente verursacht wird. Rasterelektronenmikroskopie Strukturen mit Elektronen sehen Westfälische Wilhelms- Universität Münster Physikalisches Institut FB Physikalische Technik (1) SE (2) BSE (5) SE+Cu+C (3) Cu (4) C Gallium Ga Kombination Arsen Dunkelfeld
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STRUKTUREN UND SYMMETRIEN IN DER NANOWELTSTRUKTUREN UND SYMMETRIEN IN DER NANOWELT
Struktur
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B3b
Mit konventionellen Lichtmikroskopen können Strukturen einer Größe bis hinab zu 200 nm (0,0002 mm) abgebildet werden. Für die Abbildung noch kleinerer Struk-turen werden oft Elektronenmikroskope eingesetzt. Ihre Funktion beruht auf der Entdeckung von Johann Wilhelm Hittorf, Professor für Physik und Chemie an der damaligen Akademie Münster, dass Kathodenstrahlen, also Elektronen, im Magnetfeld abgelenkt werden.Neben konventionellen Transmissionselektronenmikroskopen werden in For-schung und Industrie häufig Rasterelektronenmikroskope verwendet, die einen leicht verständlichen, plastischen Bildeindruck liefern. Zudem können sie sehr kompakt gebaut und einfach bedient werden (siehe Exponat).
Hitachi High-Technologies Europe GmbH, Krefeld
Kathode
magnetischeLinse
Monitor
Ablenkspulen
Sekundärelektronen
Detektor
Detektor
rückgestreuteElektronen
Detektor
Probe
Röntgenstrahlen
Abbildung von Kupfer-Netzchen auf einem Probenteller mit (1) Sekundärelektronen (SE), (2) Rückstreuelektronen (BSE) und (3, 4) emittierten Röntgenstrahlen. Mit den Sekundärelektronen sieht man die Oberflächenstruktur (Topographie); mit den Rückstreu-elektronen erscheinen Bereiche mit schwereren Elementen heller (Materialkontrast). Im Röntgenlicht kann gezielt nach einzelnen Elementen gesucht werden. Setzt man die Information aus (1), (3) und (4) zusammen, so erhält man ein umfassendes Bild (5), in dem sowohl die Struktur als auch die Materialart zu erkennen sind.
Mit verschiedenen Detektoren können zahlreiche Signale zur Bilderzeugung ver-wendet werden. Die wichtigsten sind
Die Intensität der Sekundärelektronen ist stark von der Einfallsrichtung auf die Probe abhängig. Daher kann man mit Sekundärelektronen gut die lokale Struktur bzw. Topographie der Probe bestimmen.
Das Signal der Rückstreuelektronen ist umso größer, je schwerer das beobach-tete chemische Element ist. Dadurch entsteht ein Materialkontrast.
Die energiedispersive Röntgenmikro-analyse nutzt die charakteristische Röntgenstrahlung eines Elements für die Abbildung, sodass die Verteilung der Elemente in der Probe dargestellt werden kann.
Streuung der einfallenden Elektronen (Primärstrahl) in der Probe und Entstehungsbereich der verschiedenen Signale. Se-kundärelektronen (SE) entstehen nur in einer dünnen Schicht an der Oberfläche, während Rückstreuelektronen (BSE), eben-so wie die erzeugten Röntgenstrahlen, auch aus tieferen Schichten stammen können.
Primärelektronen
Sekundärelektronen
Rückgestreute ElektronenRückgestreute Elektronen
Röntgtgt egeg nstratratr hlung
Elektronen-reichweite
Probe
In dicken Proben werden die einfallenden Elektronen vielfach gestreut, sodass sich eine Streubirne ausbildet, deren Ausdehnung die Auflösung begrenzt.
Eine besonders hohe Auflösung erzielt man, wenn man sehr dünne Proben durch-strahlt. Auch dann werden beim Abrastern der Probe mehrere Signale gleichzeitig aufgezeichnet. Mit dieser Technik, die letztlich die Vorteile der Raster- und der Trans-missionselektronenmikroskopie kombiniert und als Rastertransmissionselektro-nenmikroskopie bezeichnet wird, kann beispielsweise die Verteilung der Elemente in einer dünnen Folie so abgebildet werden, dass einzelne Atome zu erkennen sind.
Kathode
magnetischeLinse
Monitor
Ablenkspulen
Dunkelfeld-Detektor
Hellfeld-Detektor
Detektor
Probe
Röntgenstrahlen
0 2 4 6 8 10 12Energie/keV
0
10000
20000
30000
40000
50000
rel.Intensitä
t
Röntgenspektrum der Probe mit dem Kupfergitter. Bei welchen Energien die Probe Röntgenstrahlung aussendet, wenn sie mit Elektronen beschossen wird, ist vom Material abhängig. Bei 8 keV ist beispielsweise die Emissionslinie von Kupfer gut zu sehen.
Vergrößerungsserie am Beispiel eines Schmetterlingsflügels. Mit zunehmender Vergrö-ßerung werden immer kleinere Details sichtbar.
Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops. Der Strahlfleck der Kathode wird verkleinert auf das Objekt abgebildet und mit Hilfe von Ablenk-elementen Punkt für Punkt über die Probe ge-führt. Die Intensität des mit einem Detektor auf-führt. Die Intensität des mit einem Detektor auf-führt. Die Intensität des mit einem Detektor aufgezeichneten Signals wird auf einem synchron betriebenen Monitor als Helligkeit dargestellt.
1,6 mm („18-fach“) 140 µm („200-fach“) 14 µm („2000-fach“) 1 µm („30.000-fach“)
30 µ
m
Ein Gallium-Arsenid-Kristall wird durchstrahlt. Im Dunkelfeld-Bild (rechts oben) erscheinen die Ga-As Atompaare hell, die Atomsorten können nicht unter-schieden werden. Durch Messung der emittierten Röntgenstrahlung können beide Elemente anhand ihrer Energie getrennt dargestellt werden (unten). Aus der Überlagerung beider Bilder kann man die projizierte Kristallstruktur erkennen (rechts). Der Abstand zwischen den Gallium- und den Arsen-Atomen im Gitter beträgt nur 144 Picometer!
Ein Rastertransmissionselektronenmikroskop verfügt über einen Dunkelfeld-Detektor, mit dem die aus dem Primärstrahl herausge-streuten Elektronen nachgewiesen werden können. Große Helligkeit im Bild bedeutet also starke Streuung, die insbesondere durch schwere Elemente verursacht wird.
RasterelektronenmikroskopieStrukturen mit Elektronen sehen
Westfälische Wilhelms- Universität Münster
Physikalisches Institut
FB Physikalische Technik
(1) SE (2) BSE (5) (5) SE+Cu+C(3) (3) Cu (4) (4) C
GalliumGallium KombinationArsen
Dunkelfeld
![Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersive ...web.physik.uni-rostock.de/cluster/students/fp3/REM_D.pdf · – 4 – 2. Physikalische Grundlagen (siehe [1]) 2.1 Raster-Elektronenmikroskopie](https://static.fdokument.com/doc/165x107/5ca9bc2d88c993130d8c4127/rasterelektronenmikroskopie-und-energiedispersive-web-4-2-physikalische.jpg)
