SEM (scanning electron microscope) Rasterelektronenmikroskop Sergej Fust

Gliederung Einführung Aufbau und Funktionsweise Signalverarbeitung Zusammenfassung Ausblick

Einführung Anwendung Auflösungsvermögen Geschichte

Anwendungen Oberflächenstrukturanalyse massiver Proben Materialforschung Biologisch-medizinische Fragestellungen Schadensanalyse Kriminalistik Qualitätskontrolle

Auflösungsvermögen Lichtmikroskop: λ ≈ 0,4 - 0,7 μm d ≈ 0,3 μm   Lichtmikroskop: λ ≈ 0,4 - 0,7 μm d ≈ 0,3 μm praktisch etwa 1 μm für große Auflösung: große Linsendurchmesser, kleiner Abstand zum Objekt SEM: De Broglie Wellenlänge λ=h/p λ ≈ 0,03 nm für 1 kV d < 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

Aufbau und Funktionsweise Strahlerzeugung Probenpräparation

Aufbau Modernes Rasterelektronen- mikroskop

Aufbau Elektronenquelle Anode Magnetische Linsen (Kondensoren) Ablenkspulen Objektivlinse Probe Detektoren

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 Hochvakuumbeständig Wasserfrei Leitend (Beschichtung aus Gold oder Kohlenstoff) Mit Gold bedampfte Spinne für eine SEM Aufnahme

Signalverarbeitung Signalarten Signalverarbeitung Detektoren

Signalarten Sekundärelektronen Rückgestreute Elektronen Augerelektronen Röntgenstrahlung Absorbierte Elektronen

Signalarten

Signalverarbeitung Meistgenutzte Informationsquelle SE Meistgenutzte Informationsquelle Energie: einige wenige eV Aus den obersten Nanometern der Oberfläche Topographie Kontrast durch Flächenneigung und Kantenkontrast

Signalverarbeitung

Kanteneffekt anhand einer mit einem SEM aufgenommene Spinne

Signalverarbeitung Energie: einige keV SE BSE Meistgenutzte Informationsquelle Energie: einige wenige eV Aus den obersten Nanometern der Oberfläche Topographie Kontrast durch Flächenneigung und Kantenkontrast Energie: einige keV Intensität von Ordnungszahl des Materials abhängig schwere Elemente = helle Bereiche Rückschlüsse auf chem. Natur bzw. Verteilung der versch. Materialien

Signalverarbeitung BSE BSE SE SE Vergl. zw. Rückstreu- und Sekundärelektronenaufnahmen

Signalverarbeitung Aufnahmen von zwei versch. Elementen mit Sekundär- und Rückgestreuten Elektronen (oben: Silizium und Titan, unten: Eisen und Kohlenstoff) SE BSE

Detektoren E-T mit ausgeschaltetem Faraday-Käfig Everhart-Thornley Se BSE E-T mit ausgeschaltetem Faraday-Käfig Donut-förmig über der Probe angeordnet Szintillator oder Halbleiter Everhart-Thornley Rauscharm, große Bandbreite Bestandteile: Szintillator, Faraday-Käfig, Photomultiplier

Zusammenfassung

Zusammenfassung Vorteile: Größere Auflösung als ein Lichtmikroskop Keine Zerstörung der Probe wie beim TEM Sehr gute Schärfentiefe Keine Spiegelnde Oberflächen wie beim Lichtmikroskop

Bild eines Schwimmschneekristalls mit Licht- bzw Bild eines Schwimmschneekristalls mit Licht- bzw. Rasterelektronenmikroskopie

Zusammenfassung Vorteile: Größere Auflösung als ein Lichtmikroskop Keine Zerstörung der Probe wie beim TEM Sehr gute Schärfentiefe Keine Spiegelnde Oberflächen wie beim Lichtmikroskop Nachteile: Kleinere Auflösung als ein TEM Umständliche Vorbehandlung Farbinformation geht verloren Schädigung der Objekte durch den Elektronenstrahl Keine lebende Objekte

Weiterentwicklung ESEM

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 Nachteile: Vorteile: Kleine Vergrößerungen kaum realisierbar Flüssigkeiten sind undurchsichtig Rastergeschwindigkeit länger Vorteile: Nicht vakuumstabile oder ausgasende Proben Luftfeuchtigkeit einstellbar Bedampfung entfällt

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