Lexikon der Geowissenschaften: Elektronenmikroskop
Elektronenmikroskop, Mikroskop höchster Auflösung, bei dem das stark vergrößerte Bild eines Objektes durch Abbildung mit Hilfe von Elektronenwellen erzeugt wird. Ein Elektronenmikroskop entspricht in seinem prinzipiellen Aufbau dem eines Lichtmikroskops ( Abb. ). Die Auflösung einer wellenoptischen Abbildung hängt wegen der Beugungserscheinungen an den Strukturen des Objektes von der Wellenlänge ab. Für die Beugungsbegrenzung der Auflösung gilt die Faustregel: Das Auflösungsvermögen liegt in der Größenordnung der Wellenlänge. Deshalb sollte im Mikroskop möglichst kurzwellige Strahlung verwendet werden. Da jedoch für elektromagnetische Strahlung (Licht) im Bereich der Röntgenstrahlung der Brechungsindex unabhängig vom Material sich nur um 10-5 von eins unterscheidet, die Brechung also vernachlässigbar klein ist (Snelliussches Brechungsgesetz), gibt es keine kommerziell verfügbaren Linsen für Röntgenlicht; allerdings wird an deren Entwicklung unter Verwendung von Synchrotronstrahlung geforscht. Dagegen können Elektronen, die gleichfalls die erwünschte Wellenlänge im Bereich von unter 0,1 nm bei entsprechender Beschleunigungsspannung haben (Elektronenbeugung), durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt und durch geeignet geformte elektrische und magnetische Linsen fokussiert werden. Dadurch kann eine direkte elektronenoptische Abbildung höchster Auflösung erreicht werden.
Die in einer Elektronenkanone erzeugten monochromatischen Elektronen, bei konventionellen Elektronenmikroskopen bis 400 kV Anodenspannung und einer Energieunschärfe von rund 1 eV, werden durch Kondensorlinsen zu einem Strahl mit kleinem Öffnungswinkel (Apertur) von rund 10-1 bis 10-3 rad geformt, der das Objekt durchstrahlt. Typisch sind Strahlströme von 10-7-10-6 A und Strahldurchmesser von 1-100 μm. Die Objektivlinse erzeugt ein vergrößertes Zwischenbild, das durch eine Zwischenlinse (evtl. auch Gruppe von Zwischenlinsen) weiter vergrößert wird. Die Projektivlinse bildet schließlich das Zwischenbild auf einen Leuchtschirm oder einer Photoplatte ab. Durch Änderung der Brennweite der Zwischenlinse kann aber auch das Beugungsbild, das in der hinteren Brennebene des Objektivs entsteht, abgebildet werden. In modernen Elektronenmikroskopen werden fast ausschließlich magnetische Linsen verwendet. Das Auflösungsvermögen ist jedoch durch die Abbildungsfehler der Linsen, insbesondere durch die Öffnungsfehler, begrenzt. Es liegt bei Hochleistungsgeräten bei 0,1 nm bei einer förderlichen Vergrößerung von rund 106. Spezielle Forschungsmikroskope mit Spannungen bis 1 MV, die als Elektronenkanone einen Beschleuniger anstelle einer einfachen Kathoden-Anoden-Strecke brauchen, sind Forschungszentren vorbehalten. Das oben beschriebene Verfahren, bei der alle Objektpunkte simultan oder parallel verarbeitet werden, wird im sog. Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) angewendet. Im sog. Raster-Elektronenmikroskop (Scanning-Elektronenmikroskop, SEM) wird dagegen ein serielles Verfahren verwendet. Dabei tastet man ohne optisches System ein Objekt mit einem feinen Elektronenstrahl Punkt für Punkt ab – man nennt dieses auch rastern – und steuert mit dem Meßsignal die Helligkeit des Bildpunktes einer Bildröhre, der sich synchron mit dem Rasterweg auf dem Objekt bewegt. Die Vergrößerung ist durch das Verhältnis der Rasterwege auf dem Objekt und der Bildröhre gegeben. So entsteht nacheinander ein vergrößertes Bild. Das Auflösungsvermögen bei den Rastermethoden hängt eng von dem Durchmesser des fein gebündelten Elektronenstrahls ab, der jedoch aus Intensitätsgründen nicht beliebig klein gemacht werden kann. Ein Hauptvorteil des SEM liegt in der Vielfalt von Meßsignalen, mit denen man das Objekt abbilden und analysieren kann. Neben den transmittierten Elektronen (STEM) kann man auch die rückgestreuten Elektronen selbst, die Sekundärelektronen, die durch inelastische Stöße entstehen und die meistens zur Oberflächenabbildung benutzt werden, das evtl. durch Kathodolumineszenz entstehende sichtbare Licht, die charakteristische Röntgenstrahlung (Mikrosonde) sowie Auger-Elektronen verwenden. Die Detektoren für das jeweilig gewählte Meßsignal liegen, in Strahlrichtung gesehen, unmittelbar hinter oder vor (Reflexions-Mikroskop, SREM) dem Objekt. Mit diesen Meßsignalen kann nicht nur eine Abbildung aufgebaut, sondern auch eine quantitative chemische Analyse mit guter Ortsauflösung durchgeführt werden (Mikrosonde). Ein weiterer Vorteil des SEM liegt darin, daß das Signal von Beginn an digital vorliegt und damit zur direkten Verarbeitung in Rechnern bereitsteht.
Zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften, insbesondere der Brillanz, werden Energiefilter eingesetzt. Sie filtern z.B. nur die elastisch gestreuten Elektronen heraus, weil die inelastisch gestreuten Elektronen infolge des chromatischen Fehlers der Objektivlinse das Bild verschleiern. Sie bestehen aus speziell angeordneten elektrischen oder magnetischen Feldern oder einer Kombination aus beiden. In der Praxis unterscheiden sich die Filter durch die Art ihres Einbaus in das Mikroskop. Entweder ist der Filter am Ende der Mikroskopsäule angeflanscht, es besteht dann aus einem magnetischen 90° Sektorfeld ( Abb. ), oder der Filter ist in den Strahlengang der Projektivlinse eingefügt und muß dann Geradsichteigenschaften haben, d.h. die Strahlrichtung vor und nach dem Filter muß gleich sein. In modernen Mikroskopen ist dazu heute ein sog. Ω-Filter eingebaut, dessen Name auf den Strahlengang in Form eines um 90° gedrehten griechischen Ω zurückgeht. [KH]
Elektronenmikroskop:
a) Aufbau (schematisch) eines modernen Transmissions-Elektronenmikroskops mit Kathode (1), Anode (2), Spulenpaar für Raster-Zusatz (3), Kondensorlinsen (4, 5, 7), Kondensor-Aperturblende (6), Objekt evtl. drehbar auf Goniometer (8, 9), Objektiv-Aperturblende (10), Objektivlinse (Spule und Polschuh) (11, 12), Feinbereichs-Blende (selected area diaphragma) (13), Zwischenlinsen (14, 15, 16), Projektivlinse (17), Lupe zur Betrachtung des kleinen Leuchtschirms (18), Einblickfenster (19), Leuchtschirmen (20, 21), Photo-Platte oder elektronischem Flächendetektor (22), magnetischem Energiefilter (23), Detektoren (24).
b) Schema des Strahlengangs. Elektronenmikroskop:
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