Das Raster-Elektronenmikroskop
Das
Raster-Elektronenmikroskop (REM; scanning electron microskope/SEM) wird
zur Darstellung von Oberflächen benutzt. Das Prinzip (siehe Abbildung)
ähnelt dem eines Fernsehbildschirms.
Durch Erhitzen eines Wolframdrahtes (Kathode) wird ein Primärelektronenstrahl
erzeugt, der durch einen Steuerzylinder (Wehnelt-Zylinder) fokussiert und
an einer Anode eine Beschleunigung erfährt. Anschließend wird
der Primärelektronenstrahl durch elektromagnetische Spulen (Kondensoren
und Endlinse) fein gebündelt und trifft so fokusiert auf das Objekt
auf. Mit Hilfe des XY-Ablenksystems tastet der Primärelektronenstrahl
das Objekt Zeile für Zeile ab. Beim Auftreffen des Elektronenstrahls
auf das Objekt werden nach Wechselwirkung unter anderem rückgestreute
Elektronen und Sekundärelektronen von der Probe emmitiert.
Die energiereichen rückgestreuten Elektronen stammen von der Oberfläche
und aus der Tiefe des Präparats. Die energieärmeren Sekundärelektronen
werden durch inelastische Wechselwirkungen, bei der Primärelektronen
an der Elektonenhülle der Objektatome abgelenkt werden, erzeugt. Sie
entstehen nur aus oberflächennahen Atomschichten. Die langsamen Sekundärelektronen
lassen sich mit einer Spannung von ca. 200V auf einen Detektor fokusieren.
Schnelle Rückstreuelektronen lassen sich so nicht ablenken und auf
dem Detektor einfangen. Am Detektor entstehen in einem Szintillator Lichtblitze,
die von einem Photomultiplier elektrisch rückverwandelt und verstärkt
werden. Dieses elektrische Signal wird auf den Bildschirm eines Monitors
übertragen. Das Bild wird durch zeilenweises Abtasten des Objekts
aufgebaut. Die Plastizität der Objekte entsteht unter anderem dadurch,
daß der Detektor schräg zum Objekt angeordnet ist. Aus diesem
Grund erscheinen dem Detektor zugewandte Details heller (mehr Sekundärelektronen
treffen auf den Kollektor auf) als abgewandte.
Weitere Detektionsmöglichkeiten:
a)
Rückstreuelektronen
Die rückgestrahlten Elektronen können an einem zusätzlichen,
großflächigen Detektor (BSE = back scattered electron detector)
eingefangen werden. Die Anzahl der Rückstrahlelektronen ist ein Maß
für die Dichte des Objekts: Je dichter die Materie, umso höher
die Anzahl der rückgestreuten Elektronen.
b) Röntgenstrahlung
Neben Sekundär- und Rückstreuelektronen entstehen auch Röntgenstrahlen.
Diese können durch einen EDX ( = energiedispersive Röntgenanalyse)
Detektor erfaßt werden. Die stoffliche Zusammensetzung eines Objekts
läßt sich durch diese Methode ermitteln, da jedes Element ein
charakteristisches Röntgenspektrum aussendet.
Präparationsverfahren:
Für die Betrachtung eines Objekts im Raster-Elektronen-Mikroskop müssen
zwei Grundvoraussetzungen erfüllt sein: Die Probe muß a) trocken
und z.T. fixiert und b) gut leitfähig sein.
a) Beim Trocknen einer organischen Probe können durch den
starken Wasserverlust Strukturartefakte entstehen. Um dem vorzubeugen werden
die Präparate chemisch mit Glutaraldehyd fixiert. Anschließend
erfolgt eine Entwässerung der Probe in einer aufsteigenden Alkoholreihe.
Der kritischte Schritt der Präparation ist die Trocknung:
-
Lufttrocknung (für Proben, die sowieso schon einen geringen Wassergehalt
haben)
-
Gefriertrocknung (das Eis sublimiert = Phasenübergang fest -> gasförmig)
-
Kritisch Punkt Trocknung: Beim Übergang vom flüssigen in den
gasförmigen Zustand können hohe Oberflächenspannungen auftreten.
Um einen solchen Phasenübergang zu vermeiden, wird die Probe oberhalb
des kritischen Punkts getrocknet. Der kritische Punkt von Wasser kann nur
unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen (374 °C / 217 bar) erreicht
werden, deshalb muß es durch ein Medium z.B. CO2, mit
leicht erreichbaren kritischen Punkt (31 °C / 72 bar), ersetzt werden.
Da sich Wasser mit flüssigem CO2 nur schlecht mischt, wird
es stufenweise durch ein Zwischenmedium (Aceton oder Alkohol) verdrängt.
b) Bei isolierenden Objekten kommt es unter Beschuß von Elektronen
zu Aufladungen, die zu Bildverzerrungen führen. Aus diesem Grund wird
die Oberfläche mit einem dünnen leitfähigen Film überzogen.
Dies wird durch Besputtern bewerkstelligt, d.h. durch Aufbringung einer
sehr dünnen (2 bis 20 nm) Metallschicht (Au, Pd, Cr, o.ä.) mittels
Kathodenzerstäubung in einer Glimmentladung.
