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Wissenschaft in Bildern: Nano-Analyse im Elektronenmikroskop

Die energiefilternde Elektronenmikroskopie bietet die einzigartige Möglichkeit, millionstel Millimeter kleine Bereiche von inhomogenen Werkstoffen zu analysieren.


Je tiefer die aktuelle Forschung in die Grenzregionen zwischen Makro- und Mikrowelt vordringt, desto mehr neue Anwendungen erschließt sie. Seit einigen Jahren bieten Phänomene im Bereich von Nanometern (millionstel Millimetern) geradezu revolutionäre Möglichkeiten – etwa in der Halbleitertechnik, Mikrosystemtechnik und Biotechnologie.

Der Bau des ersten Lichtmikroskops durch den Niederländer Antony van Leeuwenhoek (1632 bis 1723) im Jahre 1683 eröffnete insbesondere der biologisch-medizinischen Forschung völlig neue Perspektiven (Spektrum der Wissenschaft, Juni 1998, Seite 68). Für heutige Feinstrukturuntersuchungen ist diese klassische Technik allerdings nicht mehr geeignet. Da die Auflösung – der minimale Abstand, den zwei Objektpunkte haben müssen, um getrennt abgebildet zu werden – durch die Wellenlänge der verwendeten Strahlung begrenzt wird, beträgt sie beim klassischen Lichtmikroskop bestenfalls rund 500 Nanometer, was einer 1500fachen Vergrößerung entspricht.

Feinheiten wie Kristalldefekte in Festkörpern oder Strukturdetails von biologischem Gewebe erschloß deshalb erst das Elektronenmikroskop. Hochenergetischen Elektronen läßt sich aufgrund des quantenmechanischen Welle-Teilchen-Dualismus eine Wellenlänge zuordnen, die wesentlich geringer ist als die sichtbaren Lichts und von ihrer Geschwindigkeit beziehungsweise Bewegungsenergie abhängt. 250 Jahre nach Einführung des Lichtmikroskops machte der 26jährige Berliner Doktorand Ernst Ruska (1906 bis 1988; Nobelpreis 1986) die erste Aufnahme mit magnetisch gebündelten Elektronenstrahlen. Bei der Entwicklung dieses sogenannten Transmissionselektronenmikroskops (TEM) arbeitete er eng mit den Physikern Max Knoll (1897 bis 1969) und Bodo von Borries (1905 bis 1956) zusammen.

In einem modernen TEM nutzt man hochenergetische Elektronen mit Beschleunigungsspannungen von 100000 bis 400000 Volt; solchen Elektronenenergien entsprechen Wellenlängen von wenigen tausendstel Nanometern. Daher hat das TEM theoretisch eine Auflösung von etwa einem zehntel Nanometer – millionenmal besser als das bloße Auge. Dies wird allerdings mit umständlicher Bedienung und hohen Kosten erkauft. Außerdem lassen sich nur extrem kleine Objekte – etwa Viren – oder ultrafeine elektronentransparente Scheibchen untersuchen, die man mittels aufwendiger Dünnungsmethoden aus dem biologischen Gewebe oder aus dem Festkörper herauspräparieren muß. Bei einer Dicke von 20 bis 200 Nanometer können die Proben dann routinemäßig 50000- bis 500000fach vergrößert abgebildet werden. Kristalline Festkörper mit räumlich periodischer Kristallstruktur lassen sich je nach Mikroskoptyp sogar millionenfach vergrößern und somit in atomarer Auflösung darstellen. Zwar vermag man normalerweise keine einzelnen Atome abzubilden, wohl aber Atomsäulen, das heißt die in Strahlrichtung hintereinander liegenden Atome des Kristallgitters.

Seit einigen Jahren werden Transmissionselektronenmikroskope mit analytischen Zusatzeinrichtungen ausgerüstet, die es ermöglichen, zusätzlich zur vergrößerten Abbildung – zum Beispiel eines einzelnen Virus – dessen lokale chemische Zusammensetzung zu bestimmen. Besonders gut ist dafür die Elektronenenergieverlustspektrometrie (EELS) geeignet, mit der alle chemischen Elemente (außer Wasserstoff und Helium) in sehr kleinen Probenbereichen bis zu einigen Nanometern analysiert werden können. Diese Methode bildet zudem die physikalische Grundlage für die energiefilternde Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM), die in den letzten fünf Jahren eine stürmische Entwicklung genommen hat und einen völlig neuen Einblick in den Mikrokosmos ermöglicht.

Zwar hatte Gerhard Ruthemann von der Technischen Hochschule Danzig bereits Anfang der vierziger Jahre gezeigt, daß Elektronen beim Passieren dünner Proben gewisse Energiebeträge verlieren, die für die enthaltenen Atome charakteristisch sind; 1941 publizierte er das erste EEL-Spektrum, das von einer dünnen Kunststoff-Folie stammte. Und schon drei Jahre später erkannten die amerikanischen Physiker James A. Hillier und R. F. Baker, daß diese Methode sich in Verbindung mit einem Elektronenmikroskop für mikroskopisch-analytische Untersuchungen eignet. Doch wegen großer experimenteller Schwierigkeiten fand sie damals wenig Anklang. Erst mit der rasanten Entwicklung der Elektronik und Computertechnik in den siebziger Jahren begann in vielen Labors eine rege Forschungstätigkeit auf dem Gebiet der Energieverlustspektroskopie, und seither ist sie zu einer wichtigen analytischen Standardmethode ausgebaut worden.

Ausgangspunkt für die Entwicklung der energiefilternden TEM war der Wunsch, die in der Probe inelastisch gestreuten Elektronen zu vermeiden, weil sie sowohl den Bildkontrast als auch die Auflösung verschlechtern. Dazu nutzten Helmut Boersch an der Technischen Universität Berlin und Gottfried Möllenstedt an der Universität Tübingen in den fünfziger Jahren elektrostatische Filterlinsen.

Das erste TEM, das mit einem echten abbildenden Energiefilter (aus einem Magnetprisma und einem elektrostatischen Spiegel) ausgerüstet war, stellten 1962 Raimond Castaing und Lucien Henry an der Universität Paris in Orsay vor. Mit diesem Mikroskop konnte man – durch Auswahl eines beliebigen Energie- und damit Wellenlängenbereichs der transmittierten Elektronen – quasi monochromatische Bilder erzeugen. Die Firma Carl Zeiss (jetzt LEO) in Oberkochen hat das Gerät weiterentwickelt und vertreibt es seit 1984 kommerziell.

Trotz seiner ausgezeichneten Qualität hat dieses System für manche Untersuchungen gewisse Nachteile. So läßt die begrenzte Überschlagsfestigkeit des elektrostatischen Spiegels nur Beschleunigungsspannungen bis etwa 80000 Volt zu; für materialwissenschaftliche Analysen ist das zu wenig.

Darum entwickelten Harald Rose und Erich Plies von der Technischen Hochschule Darmstadt sowie Dieter Krahl vom Fritz-Haber-Institut in Berlin in den siebziger Jahren abbildende Energiefilter, die anstelle des elektrostatischen Spiegels ein magnetisch abbildendes Omega-Filter enthalten (benannt nach dem charakteristischen Aufbau, der dem griechischen Großbuchstaben ähnelt). Wiederum führte die Firma Carl Zeiss die Entwicklung weiter, und seit einigen Jahren gibt es ein spezielles TEM, das mit einem direkt in die Mikroskopsäule integrierten Energiefilter ausgerüstet ist.

Einen anderen Zugang wählten 1986 Henry Shuman von der Universität von Pennsylvania in Philadelphia und später Ondrej Krivanek von der amerikanischen Firma Gatan, indem sie das Energiefilter an die Mikroskopsäule eines normalen TEMs anflanschten. Im Prinzip lassen sich mit beiden Geräten Ergebnisse vergleichbarer Qualität erzielen. In unserem Labor verwenden wir letztere Methode (siehe Kasten gegenüber).



Hoher Stand der Technik



Ein enormer Vorteil der EFTEM-Methode in den Materialwissenschaften ist, daß die Elementverteilungsbilder nur sehr kurze Meßzeiten – von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten – erfordern. Außerdem sind sämtliche Elemente des Periodensystems (außer Wasserstoff und Helium) detektierbar. Allerdings eignet sich die Methode nicht für alle Atomsorten gleich gut: Während die leichteren Elemente (Lithium bis Arsen), die Elemente Cäsium bis Lutetium sowie Thorium und Uran sehr gut analysiert werden können, gibt es bei einigen schweren Elementen (Hafnium bis Radium) Probleme.

Erst in den letzten Jahren wurde klar, daß die Auflösung in den EFTEM-Elementverteilungsbildern tatsächlich etwa ein bis fünf Nanometer betragen kann. Diese Werte hängen von den Linsenfehlern des Mikroskops ab. Zusätzlich wird im Grenzbereich unterhalb von einem Nanometer die Auflösung bereits von quantenmechanischen Effekten (Ortsunschärfe aufgrund des Heisenbergschen Unbestimmtheitsprinzips) beeinflußt. Dennoch sind vor kurzem experimentell Auflösungen unter einem Nanometer gelungen: Am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart konnten Joachim Mayer, Arthur Berger und Helmut Kohl in einer Siliciumnitrid-Keramik eine 0,7 Nanometer dünne Sauerstoffanreicherung in einer Korngrenze abbilden; und Koji Kimoto vom Hitachi-Forschungslabor in Ibaraki (Japan) detektierte eine etwa ein Nanometer dünne Chromschicht in einem Halbleiterbauelement. Vor wenigen Monaten vermochten Harald Rose von der Technischen Universität Darmstadt, Maximilian Haider vom Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium (EMBL) in Heidelberg und Knut Urban vom Forschungszentrum Jülich durch zusätzliche magnetische Korrekturlinsen im normalen Elektronenmikroskop eine Auflösung von 0,14 Nanometern zu erreichen, was auch eine höhere Auflösung bei energiefilternden Bildern ermöglichen wird.

In den letzten Monaten haben Bert Freitag und Werner Mader an der Universität Bonn Elementverteilungsbilder mit quasi atomarer Auflösung produziert, wobei Barium-Atomebenen in einem Hochtemperatur-Supraleiterkristall abgebildet wurden.

Auf eine wichtige Einschränkung sei aber hingewiesen: Für derart exzellente Auflösungswerte müssen die untersuchten Objekte mit einer sehr hohen Elektronendosis bestrahlt werden, und das kann Strukturschäden oder gar die völlige Zerstörung empfindlicher Proben zur Folge haben. Daher lassen sich höchste Auflösungen nur bei Proben erreichen, die unter Elektronenbestrahlung sehr stabil sind, das heißt bei Keramiken, Legierungen, Stählen und ähnlichen Materialien. Für Kunststoffe oder biologisches Gewebe sind ohne besondere Vorkehrungen – zum Beispiel Einfrieren der Probe auf Temperaturen um minus 170 Grad Celsius – nur deutlich schlechtere Auflösungen möglich.

Die mittels Energiefilterung gemessenen Elementverteilungen lassen sich sehr anschaulich durch Anfertigen farbiger RGB-Aufnahmen (RGB für rot-grün-blau) darstellen. Auf diese Weise vermag man moderne Werkstoffe aller Art – Stähle, Legierungen, Keramiken, Polymere, Verbundwerkstoffe, Halbleiterbauelemente, heterogene Katalysatoren, Korrosionsschichten sowie Werkstoffbeschichtungen im Querschnitt – elektronenmikroskopisch zu untersuchen und ihre Mikrostruktur in aussagekräftigen Farbphotographien wiederzugeben (Bilder 1 bis 6).

Auch beim Mikroskopieren biologischen Gewebes gewinnt die energiefilternde TEM immer mehr an praktischer Bedeutung. So untersuchten Willem de Bruijn und seine Mitarbeiter an der Erasmus-Universität in Rotterdam (Niederlande) Biopsie-Material aus der Leber von Patienten, die an einer Eisenspeichererkrankung litten. Richard Leapman vom National Institute of Health in Bethesda (US-Bundesstaat Maryland) gelang die quantitative Abbildung des Wassergehalts von Zellgewebe anhand von Kryo-Ultradünnschnitten. Unsere Arbeitsgruppe konnte in Kooperation mit Maria Pabst von der Universität Graz verschiedene Mineralpartikel in menschlichem Lungengewebe identifizieren und ihre Lage im Gewebe darstellen. Diese Untersuchungen lieferten auch interessante Aussagen über die Lebensumstände des 5000 Jahre alten Gletschermannes aus den Ötztaler Alpen, der unter dem Namen "Ötzi" berühmt wurde (Bild 7).

Aufgrund unserer bisherigen Erfahrungen und der rasanten Entwicklung der EFTEM-Methodik in den letzten Jahren glauben wir, daß ein Energiefilter in Zukunft zur Standardausrüstung jedes neu installierten Transmissionselektronenmikroskops gehören wird – ermöglicht das Verfahren doch Werkstoffwissenschaftlern, Technikern und auch Biologen im Wortsinne neue Einblicke in ihre Untersuchungsobjekte.

Literaturhinweise

– Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope. Von Ray F. Egerton. Plenum Press, 1996.
– Energy-Filtering Transmission Electron Microscopy. Herausgegeben von Ludwig Reimer. Springer, 1995.
– Electron Energy-Loss Spectroscopy. Von Ray F. Egerton in: Physics World, April 1997, Seiten 47 bis 51.
– Energy-Filtered TEM-Imaging. Zwei Sonderhefte der Zeitschrift MICRON, herausgegeben von Ferdinand Hofer und Ray F. Egerton. Band 28, Heft 5 (1997) und Band 29, Heft 1 (1998).
– Electron Microscopy Image Enhanced. Von M. Haider, S. Uhlemann, E. Schwan, H. Rose, B. Kabius und K. Urban in: "Nature", Band 392, Seite 768 bis 769, 23. April 1998.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1998, Seite 48
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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