Transmissionselektronenmikroskopie(TEM)im speziellen STEM

Inhalt• 1. Einleitung• 2. Das Messprinzip• 3. Der Aufbau

• 3.1 Unterschiede beim STEM• 3.2 Bildgebung• 3.3 Detektoren• 3.4 Kontrast• 3.5 Materialkontrast

• 4. Analyse von Polymeren• 5. Spezielles Anwendungsgebiet der STEM• 6.Probenpräparation• 7. Zusammenfassung

Einleitung–warumTEM?• Auflösung des Lichtmikroskops begrenzt durch Rayleigh‐Kriterium:

0,61 ∗

300nm

• De Broglie‐Gleichung:

1.22

100keV = ~0.004nm• Begrenzung durch Linsen (Abbildungsfehler) Quelle: Versuchsanleitung 405‐Bilderfassung am 

Mikroskop, Universität Jena

DasMessprinzip• Wechselwirkung zwischen Materie und Elektronen wird in Signale umgewandelt

• Intensität der Signale werden Grauwerte zugeordnetKontrastentstehung

• Viele unterschiedliche Wechselwirkungen unterschiedliche Detektoren 

Quelle: Transmission Electron Microscopy, S.7

DerAufbau3 wichtige Komponenten

• Die Beleuchtung: Bild des Crossovers wird auf die Probe projiziert (broad /focusedbeam)

• Die Probenhalterung: TEM: Objektivlinse und Halterung zusammen,  Ausrichtung und Linse maßgebend für Qualität

• Die Bildgebung: unterschiedliche Detektoren nehmen Signale und leiten diese weiter, Umwandlung durch CL der Schirme

Der Strahlengang

Quelle: Transmission Electron Microscopy, S.142

UnterschiedebeimSTEM• Erhöhte Energie in einem bestimmten Punkt der Probe durch Fokussierung von 

• kein paralleler Strahl  und schlechter Kontrast  keine Bildentstehung

• Rasterprozess• Ablenkung des Strahls durch zwei gekreuzte magnetische Dipole

Quelle: Transmission Electron Microscopy, S.144 und S.147

Bildgebung

TEM

• Statisches BildBildschirm in der Röhre

• Bildschirm ist mit  fluoreszierendem Material beschichte (z.Bmit ZnS)

• Kleine Körner werdennicht vom Auge wahrgenommen        (~50 µm)

STEM

• Probe wird gescannt Signale werden digitalisiert, das digitale Scanning‐Bild wird auf einem fluoreszierendem Bildschirm dargestellt

• Möglichkeit zur Verbesserung der Bildqualität

Detektoren• Halbleiter: dotierter Si‐Einkristall, Elektronenstrahl erzeugt Elektronen‐Lochpaar , Abnahme über angelegte Spannung Stromfluss

• Scintillator‐Photomultiplier: Elektronen werden über CL‐Prozess in Lichtumgewandelt  und durch Dioden verstärkt

• Al‐Beschichtung um „äußeres“ Licht zu reflektieren

• CCD‐Detektoren: Ladungen von Elektronenstrahlen werden in Millionen von Pixeln (Kondensatoren) gespeichert

• Auslesen der Matrix:  Ladungen schrittweise verschoben Ladungspakte zum Ausleseverstärker  elektrische Spannung abhängig von der ursprünglichen Strahlungsintensität

Kontrast• ∆

• Unterschiedliche Kontraste  unterschiedliche Informationen

• Entsteht durch Änderung der• Amplitude Materialkontrast, Brechungskontrast• Phase Phasenkontrast

Quelle: Transmission Electron Microscopy, S.373

Materialkontrast• Beruht hauptsächlich auf elastischer Streuung

• ∗ ∗∗

; mit • Z: Ordnungszahl, e: elementar Ladung, V: Spannung,             : Streuungswinkel

• Hohes Z  dunkel (im HF)• Hohe Spannung  weniger Energie

• 3D  2D Abbildung schwierige Interpretation

Quelle: Transmission Electron Microscopy, S.374

3D  2D Abbildung schwierige Interpretation

Quelle: Transmission Electron Microscopy, S.375

AnalysevonPolymerenProbleme

• Geringer Materialkontrast

• Radiolyse: Zerstörung der Ketten, bzw. Entstehung neuer Strukturen durch Abspaltung der Seitenketten  reaktive Enden

Lösungen• Bedampfung mit Schwermetallen

• Mit  kühlen, low dose imaging“

Quelle: Transmission Electron Microscopy, S.375 und S. 376

STEM– spezielleAnwendung

Anwendung für die Analyse von Hybridmaterialien

• Analyse von Anorganik/Organik‐Kompositen• Interessante Stellen breiten sich über einen größeren Bereich aus (Phasengrenzen, Korngrenzen…)

• STEM liefert Flächenauflösung der Verteilung der einen Komponente in der anderen

• Beispiel: Analyse von ABC‐Block‐Tripolymeren• Gezieltes Ausnutzen der Selbstanordnung   Kontrolle der Eigenschaften

Quelle: The Supramolecular Chemistry of Organic‐Inorganic Hybrid Materials,    s. 614

• Blockeinheiten: PEP(11% vol.), PEO‐Aluminiumsilikat Domäne (35% vol.),  PHMA (56% vol.)

• Abbildung: hexagonale Anordnung der PEO‐Aluminiumsilikat Domäne mit lamellaren und sich überschneidenden Strukturen

100 nm scale bar

Probenpräparation

Quelle: Copyright 2001 Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg

Allgemeine Anforderungen: Elektronentransparent, stabil unter dem Elektronen Strom, (leitfähig und nicht magnetisch)

Ultramikrotom Messer schneidet die Probe in sehr dünne Filme  fließen über Wasser und werden auf dem Gittern gesammelt

Möglichkeit zur Präparation von Partikeln, Fasern oder porösen Material (Einbettung in Epoxyd‐Matrix)

ZusammenfassungAbbildende Verfahren Analytische Verfahren

REM (engl. SEM)(Rasterelektronenmikroskopie)

AEM(Analytical electron microscopy)

Reflektionsmikroskopie EDX (engl. XEDS) (EnergiedispersiveRöntgenspektroskopie

WDX(Wellenlängen‐dispersiveRöntgenspektroskopie)

TEM(Transmissionselektronen‐mikroskopie)

EELS(Elektronenenergie‐verlustspektroskopie)

RTEM (engl. STEM)Rastertransmissionselektronen‐mikroskopie)