Das Elektronenmikroskop

Das Elektronenmikroskop

Alexander Scheerbaum

Grundlagen:

o Lichtmikroskope können ein Objekt 2000fach vergrößern.

o Ihre Auflösung entspricht der Wellenlänge des benutzten Lichts (= > = > = 6*10^-5 cm).

o Um die Auflösung zu verkleinern, muß = > verkleinert werden.

aber: das für das Auge sichtbare Spektrum erstreckt sich von Rot (= >_rot = 8*10^-5 cm) bis Violett (= >_violett = 4*10^-5 cm ).

o Entscheidende Erkenntnis: alle elementaren Teilchen breiten sich wie Wellen aus.

(Beachte: Wellen-Teilchen-Dualismus des Lichts)

o Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops läßt sich also erhöhen, indem man elektromagnetische Wellen kürzerer Wellenlänge bzw. höherer Frequenz f benutzt.

= > = c/f

o Max Planck (1858-1947) stellte 1900 die Hypothese auf, daß elektromagnetische Strahlung eines Körpers nur portionsweise, quantisiert, in Energieeinheiten der Größe

E = h*f

entsteht. Die Größe h wird als Plancksche Konstante oder Wirkungsquantum bezeichnet (h = 6,6261*10^-34 Js).

o de Broglie führte diese Hypothese weiter:

I. E = h*f II. = > = c/f

I in II: = > = c*h/E

III. (nach A. Einstein) E = m*c²

III in II: = > = h/m*c

(= > Elektronen in einer Spannung U = 50 kV haben eine Wellenlänge = > = 5,5*10^-10 cm. Diese ist 100.000 mal kleiner als die des Lichtes.)

o 1926 entdeckte Hans Busch, daß rotationssymmetrische, magnetische Felder gleiche fokusierende Wirkung auf zueinander achsenparallele Elektronenstrahlen, gleicher
Geschwindigkeit, haben, wie optische Linsen auf Lichtstrahlen.

Dies trifft auch auf rotationssymmetrische, elektrische Felder zu.

o Magnetische oder elektrische Felder haben eine Brennweite, welche aber durch stetige Feldänderung stetig verändert werden kann und zur Abbildung dient. Die Brennweite ist regelbar durch die Beschleunigungsspannung und den Spulenstrom.

Dabei gelten Beziehungen zwischen Gegenstands- und Bildentfremdung und Brennweite wie bei optischen Linsen.

o Vergrößerung ist möglich!

o Dies waren die Grundlagen für die Elektronenoptik in D (Knoll, Ruska, Brüche, Mahl, etc.)

Elektronenmikroskope konnten nun analog zu den Projektions Lichtmikroskopen entworfen werden. Das erste wurde von Ernst Ruska (1906-1988) entwickelt und bekam dafür 1986 den Nobelpreis.

Das Feldelektronenmikroskop ( Erwin Müller, ab 1937)

o U = > 4000 V

o Ultrafeine Metallspitze (evakuiert; r = 10^-5 cm) ist Kathode. An der Spitze entsteht eine Feldstärke zwischen 10⁷ bis 10⁸ V*cm^-1 = > Elektronen werden herausgesogen (Tunneleffekt)

o Ringförmige Anode (evakuiert) mit Loch in der Mitte

o Bahn der Elektronen im angenäherten elektrischen Radialfeld erfahren starke Spreitzung und bilden die Oberfläche des Spitzenendes 10⁵ - 10⁶fach vergrößert auf Leuchtbildschirm ab.

o Keine Linse!

o Auflösungsvermögen bei 20 Angström

Feldionenmikroskop

o Spitze ist Anode

o Innenraum: Gas geringeren Drucks (z.B. H₂ )

o Oberflächenfeldstärke E = > 2*10₈ V/cm

o Die Gasmoleküle geben Elektronen an das Spitzenmetall ab ( H₂ = > 2e + 2H⁺)

o Protonen folgen radialem Feld und geben auf kathodischen Leuchtschirm vergrößertes Bild der lokalen Feldstärkenverteilung an der Oberfläche der Spitze.

o Auflösungsvermögen je nach Ionen ( H, Cs, He, Hg) zwischen 3 und 15 Angström

o Die atomare Struktur (Gitter ) wird abgebildet und z.B. Kristallfehler lassen sich nachweisen.

Rasterelektronenmikroskop

o Fein fokusierter Elektronenstrahl tastet Objekt zeilenweise ab.

o Die vom einzelnen Punkt emittierten Sekundarelektronen werden registriert und zum Bild zusammengesetzt (ähnlich: Fernsehen)

Weiterentwicklung: Tunneleffekt-Rastermikroskop ( Binnig und Bohrer, 1986 NP)

o Feine Metallspitze wird rasterförmig ( Abstand d= 1nm) über Objekt geführt. Aus dem Objekt tunneln (emittieren) Elektronen durch die Lücke zwischen Oberfläche und Spitze

(,,Tunneln" ist das Durchdringen eines Potentialwalls).

o Der Tunnelstrom ist abhängig vom Abstand d und durch Rückkopplung mit der Nadelführung bleiben Abstand d und der Tunnelstrom konstant.

o Die für die Bewegung der Nadel verantwortliche Spannung zeichnet man über der Horizontalebene auf und es entsteht ein dreidimensionales Rasterbild der Oberfläche.

o Besonders auszeichnen durch den plastischen Eindruck und die große Tiefenschärfe.

o Strukturen kleiner als Atome erkennbar

Durchstrahlungelektronenmikroskop

o am weitesten verbreitet

o Zu untersuchende Objekte dürfen nur 0,1 - 0,3 Mikrometer (bedingt spezieller Präparationstechniken)

o Spannung zwischen 40 bis 150 kV

o Glühkatode ist ein haarnadelförmig gebogener Wolframdraht

o Kathode (Wehnelt Zylinder) und die Anode bilden das Strahlenerzeugungssystem

o Die Elektronenstrahlen werden ein Loch in der Anode in die evakuierte Mikroskopsäule geführt und durch zwei oder mehr Magnetfelder auf das Objekt konzentriert.

o Objekt nahe Brennpunkt f = 2 mm

o bis zu 200.000fache Vergrößerung auf dem Zinksulfid Bildschirm (Durchmesser ca. 10 cm)

o Auflösung 0,1 - 0,2 Mikrometer

o Genutzt zur Abbildung von Kristallbaufehlern ( Kongrenzen, Stapelfehler, Versetzungen)

Anmerkung des Schreibers: Für ein absolut umfangreiches und exakteres Referat, fehlt die Analogie des Elektronenmikroskops zum Lichtmikroskop.

Referent: Alexander Scheerbaum

Quellen:
Lanius, Karl: Mikrokosmos - Makrokosmos. C.H. Beck-Verlag München. 1988
Westphal, Wilhelm H.: Physik. Springerverlag Heidelberg. 1970
Krause, Joachim & Grehn, Joachim: Metzler Physik, Schroedel Hannover. 1998