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Elektronenmikroskop


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Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop das das Innere oder die Oberfläche Probe mit Elektronen abbilden kann.

Da schnelle Elektronen eine sehr viel Wellenlänge als sichtbares Licht haben (→ Welle-Teilchen-Dualismus ) und die Auflösung eines Mikroskopes durch Wellenlänge begrenzt ist kann mit einem Elektronenmikroskop deutlich höhere Auflösung (derzeit ca. 0 1  nm ) erreicht werden als mit einem Lichtmikroskop (ca. 200 nm).

Inhaltsverzeichnis

Technik

Die Hauptbestandteile eines Elektronenmikroskopes sind:
  • Die Elektronenkanone die die freien Elektronen in einer Kathode erzeugt und in Richtung einer ringförmig die Strahlachse liegenden Anode beschleunigt. Zwischen Anode und Kathode liegt Hochspannung die je nach Mikroskop von wenigen bis zu 3 MV variiert.
  • Elektronenlinsen die die Flugbahnen der Elektronen können. Meistens werden magnetische Linsen verwendet in Elektronenkanone z.T. auch elektrostatische. Elektronenlinsen haben die Funktion wie Glaslinsen im Lichtmikroskop. Während die der Glaslinsen fest liegt ist sie bei regelbar. Deshalb enthält ein Elektronenmikroskop im Gegensatz einem Lichtmikroskop keine austauschbaren oder verschiebbaren Linsen(systeme) etwa das Objektiv bzw. das Okular eines Lichtmikroskopes.
  • Das Vakuumsystem das dafür sorgt dass die Elektronenquelle kann und die Elektronen auf ihrem Weg durch Kollision mit Luftmolekülen behindert werden.
  • Die Probenhalterung die eine stabile Lage Probe garantieren muss. Daneben sind oft Manipulationsmöglichkeiten von denen je nach Art des Probenhalters Kombinationen realisiert werden: Verschiebung Drehung Verkippung Heizung Dehnung etc.
  • Detektoren die die Elektronen selbst oder Signale registrieren.

Betriebsarten

TEM-Aufnahme von Versetzungen in einer Legierung die wähend eines In-situ-Zugversuchs von oben links nach rechts bewegen

Die Transmissionselektronenmikroskopie ( TEM steht auch für Transmissionselektronenmikroskop) ist eine die eine direkte Abbildung der Probe ermöglicht. Elektronen durchstrahlen das Probenmaterial das zu diesem entsprechend dünn sein muss. Je nach Ordnungszahl Atome aus denen die Probe besteht der der Beschleunigungsspannung und der gewünschten Auflösung kann sinnvolle Probendicke von wenigen Nanometern bis zu Mikrometern reichen. Je höher die Ordnungszahl und je niedriger die Beschleunigungsspannung sind dünner muss die Probe sein. Auch für Abbildung ist eine dünne Probe erforderlich.

Die von der Elektronenkanone gelieferten Elektronen vom Kondensor-Linsensystem so abgelenkt dass sie den beobachtenden Probenabschnitt gleichmäßig ausleuchten und alle etwa zueinander auf die Probe einfallen.

In der Probe werden die Elektronen d.h. ihre Bewegungsrichtung ändert sich. Teilweise verlieren dabei auch Bewegungsenergie (inelastische Streuung). Elektronen die Probe unter dem selben Winkel verlassen werden der hinteren Brennebene der Objektivlinse in einem fokussiert. Man kann nun in dieser Ebene einer Blende (Objektivblende bzw. Kontrastblende) nur die passieren lassen die nicht gestreut wurden. Da mit höherer Ordnungszahl stärker streuen wird der Kontrast Massenkonstrast genannt. Der Kontrast kristalliner Proben folgt Gesetzmäßigkeiten.

Das Projektiv-Linsensystem wirft das vom Objektiv-Linsensystem erste Zwischenbild weiter vergrößert auf einen Detektor. solcher kommt z.B. ein Leuchtschirm zur direkten in Frage der meistens mit fluoreszierendem Zinksulfid beschichtet ist. Falls das Bild werden soll verwendet man fotografischen Film oder CCD -Kamera.

REM-Aufnahme einer Probe des WTC-Staubes mit Gips/Anhydrit-Kristallen

Bei der Rasterelektronenmikroskopie ( REM steht auch für Rasterelektronenmikroskop oder engl. SEM Scanning electron microscopy/microscope ) wird der Elektronenstrahl vom Kondensor-System auf Probe zu einem möglichst kleinen Fleck fokussiert zeilenweise über den zu untersuchenden Probenbereich geführt. kann man verschiedene Signale detektieren und anhand Detektionszeitpunktes einem Punkt auf der Probenoberfläche zuordnen.

Zu diesen Signalen zählen insbesondere die Elektronen (die Methode heißt dann STEM scanning transmission electron microscopy ) sowie Sekundärelektronen die die Probe auf selben Seite verlassen von der der primäre eingetreten ist.

Sekundärelektronen sind Elektronen die im Laufe Anregungsprozesses durch die primären Elektronen von einem gebundenen Zustand gelöst werden und eine zumeist Bewegungsenergie (<50 eV) erhalten. Sie können die Probe verlassen wenn sie nahe der Probenoberfläche erzeugt denn langsame Elektronen werden im Material stark Je flacher der primäre Elektronenstrahl auf die fällt desto mehr Sekundärelektronen werden erzeugt. Der einer unebenen Oberfläche entstehende Kontrast erzeugt beim einen plastischen Eindruck der ähnlich wirkt wie Kontrast einer durch Licht beleuchteten Oberfläche. Die ist jedoch viel größer als bei einem

Mikroskope die speziell für den Rastermodus Sekundärelektronen-Detektion gebaut werden enthalten kein Objektiv- und Projektiv-Linsensystem und werden mit erheblich niedrigeren Beschleunigungsspannungen kV) betrieben weil langsame Elektronen weniger tief die Probe eindringen und weil in der erzeugte Sekundärelektronen im Material wieder absorbiert werden nutzlos und wegen der unnötigen Probenaufheizung sogar sind.

Probenaufbereitung

Biologische Proben die im TEM betrachtet sollen müssen eine Reihe von Vorbereitungen durchlaufen:
  • Fixierung - um die Probe realistischer darstellen können. Verwendet werden Glutaraldehyde zur Härtung und um Lipide schwarz zu färben.
  • Dehydrierung - Wasser wird entfernt und durch Ethanol oder Aceton ersetzt.
  • Einbettung - um Gewebe sektionieren zu können.
  • Sektionierung - Aufteilen der Probe in dünne Diese können auf einem Ultra-Mikrotom mit einer Diamantklinge geschnitten werden.
  • Färbung - Schwere Atome wie Blei- oder Uran -Atome streuen Elektronen stärker als leichte Atome erhöhen so den Kontrast.

Zur Untersuchung von Metallen im TEM aus dem Probenmaterial zunächst Scheibchen geschnitten und etwa 0 1 mm Dicke geschliffen. In den Fällen kann das Metall dann durch elektrolytisches so weit gedünnt werden dass sich ein Loch in der Mitte des Scheibchens bildet. Rand dieses Loches ist das Metall sehr und mit Elektronen durchstrahlbar.

Metalle bei denen elektrolytisches Polieren keine Resultate liefert sowie nicht- oder schlecht leitende wie Silizium oder Mineralien können durch Ionendünnung transparent für Elektronen werden. Zuvor muss jedoch in die Mitte Probenscheibchens mit einem Dimpler ein Mulde geschliffen weil durch Ionendünnung nur sehr wenig Material werden kann.

Nichtleitende Proben müssen zur Verhinderung einer Aufladung mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen

Nachteile

Da die Proben im Vakuum betrachtet müssen kann kein lebendes Material untersucht werden. aufwändige Vorbereitung der Proben kann zu Artefakten - Strukturen die nur durch die Vorbereitung sind und nichts mit dem eigentlichen Objekt tun haben was die Auswertung der Bilder Darüber hinaus können im TEM die Materialeigenschaften die Nähe der Oberflächen von denen kompakter abweichen. Ein weiteres Problem ist die Schädigung Proben durch den Elektronenstrahl z.B. durch Erwärmung Wegstoßen ganzer Atome nach Kollision mit den Elektronen. Elektronenmikroskope insbesondere TEMs sind außerdem sehr in Anschaffung und Unterhalt.

Geschichte

Als erstes Elektronenmikroskop wurde 1931 ein TEM von Ernst Ruska gebaut wenngleich zunächst keine elektronentransparenten Proben testweise kleine Metallgitter abgebildet wurden. Für diese erhielt Ruska 1986 den Physik- Nobelpreis . Er entwickelte auch bei Siemens 1938 das erste kommerzielle Elektronenmikroskop.

Die Kontrastierung biologischer Proben mit Osmiumsäure Ladislaus Marton 1934 vor. Das erste STEM wurde 1937 von Manfred von Ardenne gebaut.

Während in den frühen Jahren die der im Lichtmikroskop unsichtbaren Krankheitserreger ( Viren ) eine bedeutende Triebfeder für die Entwicklung Elektronenmikroskopes war erweiterte sich das Interesse später auf die Materialwissenschaft nachdem Robert D. Heidenreich 1949 die Präparation dünner durchstrahlbarer Metallfolien gelang.

In den 1960er Jahren entwickelte man TEMs mit immer Beschleunigungsspannung (bis zu 3 MV um 1965 in Toulouse 1970 in Osaka ) vor allem um dickere Proben durchstrahlen können. In diesem Jahrzehnt wurde auch erstmals Auflösung erreicht.

Seit Ende der 1980er Jahre wurden REMs entwickelt die mit hohen Gas-Drücken (einige Dutzend mbar) in Probennähe können. Dadurch ist es möglich auch feuchte Proben zu untersuchen. Erwähnenswert ist weiterhin der Einsatz von Computern seit den 1990er Jahren. So lassen sich z.B. komplizierte automatisch durch Analyse der Aufnahmen einer CCD-Kamera was den Bediener des Mikroskopes deutlich entlastet.



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