Techniklexikon

Elektronenmikroskop

Gerät zur Vergrößerung kleinster Objekte, bei dem im Gegensatz zum Lichtmikroskop nicht Licht, sondern Elektronenstrählen zur Abbildung genutzt werden. Da deren Wellenlänge mindestens lOOOO-mal kleiner ist als die des Lichts, gestatten E. gegenüber dem Lichtmikroskop eine bis lOOO-fach größere Bildauflösung. Damit lassen sich Objekte bis 500000fach vergrößern. Der Strahlengang für die Elektronen ist ähnlich dem des Lichts in Lichtmikroskopen. Elektronenquelle ist ein glühender Wolframdraht. Die von ihm emittierten Elektronen werden zunächst in einem Hochspannungsfeld (Hochspannung) beschleunigt, sodann in einer elektrischen oder magnetischen »Kondensatorlinse« gebündelt, um anschließend das nur etwa 1/ 10000 mm dicke Präparat zu durchstrahlen (Durchstrahlungs-E. ). Eine dahinter angeordnete »Elektronenlinse« entwirft ein etwa lOO-fach vergrößertes »Elektronen-Zwischenbild«, von dem ein kleiner Ausschnitt durch eine zweite Elektronenlinse stark vergrößert auf einen Leuchtschirm projiziert wird, der über ein Lichtmikroskop weiter vergrößert betrachtet wird. Zum Photographieren des Elektronenbildes wird der Leuchtschirm kurzzeitig weggeklappt. Beim RasterE. tastet ein scharf gebündelter Elektronenstrahl zeilenweise (Scanner) die Oberfläche des Objekts ab, deren Abbild auf einer Bildröhre (Kathodenstrahlröhre) sichtbar gemacht wird. Das Raster-Tunnel-Elektronenmikroskop ist ein E. , das Oberflächenabbildungen mit großer Tiefenauflösung liefert. Bei ihm wird eine metallische Sondenspitze mit einem Durchmesser von etwa 10 nm (1 millionstel Millimeter) bis auf weniger als 10 nm an die Oberfläche herangeführt, so daß durch den sog. Tunneleffekt ein Elektronenstrom fließt. Piezoelektrisch (Piezoeffekt) verstellt wird die Spitze quer und senkrecht derart zur Oberfläche geführt, daß der Sondenstrom konstant bleibt. Rechnergestützt wird aus der Spitzenbewegung die dreidimensionale Oberflächenstruktur nachgebildet. Weil die Elektronenstrahlen in einem E. nicht durch Luftteilchen abgelenkt werden dürfen, sind E. metallene Vakuumröhren (»Vakuum), die mit einer Hochvakuumpumpe verbunden sind. Laboratoriumsmethoden und -geräte, Mikroskop, welches zur Vergrösserung nicht elektromagnetische Strahlung, sondern Teilchenstrahlung (Elektronen) verwendet.

Entwickelt und gebaut wurde das erste Elektronenmikroskop als Transmissionselektronenmikroskop von E. Ruska, B. v. Borries, M. Knoll und Mitarbeitern bereits in den Jahren 1931-1933. Elektronenmikroskope wurden entwickelt, um das auf ca. 200 nm begrenzte Auflösungsvermögen lichtoptischer Mikroskope zu übertreffen. Das erste Rasterelektronenmikroskop wurde im Jahre 1942 gebaut und war im Jahre 1965 erstmals kommerziell erhältlich.

Das räumliche Auflösungsvermögen eines Mikroskops hängt wesentlich von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung ab. Aufgrund der De-Broglie-Beziehung l = h / (m  v ) ist die Wellenlänge der verwendeten Partikel (Elektronen) abhängig von der Elektronengeschwindigkeit (Hochvolt-Elektronenmikroskop). Mit heutigen Elektronenmikroskopen lassen sich Strukturen mit atomarer Auflösung von etwa 0,1 nm abbilden.

Kernstück eines Elektronenmikroskops ist die Mikroskopsäule mit dem evakuierbaren Innenrohr, in dem der Elektronenstrahl mit Hilfe von Linsen und Blenden von der Elektronenquelle zum Präparat und von dort zu einem Fluoreszenzschirm oder einem anderen Nachweismedium geführt wird.

Ein Vakuum von mindestens 10^-3 Pa ist erforderlich, um die mittlere freie Weglänge auf mindestens 1 m - der Distanz zwischen Elektronenquelle und Elektronennachweis - zu vergrössern.

Um den Eintrag von Fremdpartikeln in die Säule zu verhindern, muss das Präparat gegebenenfalls dehydriert werden. Eine Metallbedampfung des Präparats verhindert die elektrostatische Aufladung, sofern das Präparat selbst nichtleitend ist.

Als »Lichtquelle« (Elektronenquelle) wird überwiegend ein geheizter haarnadelförmiger Wolframdraht (Kathode) verwendet, aus dessen Krümmungsbereich durch Glühemission Elektronen austreten. Die Kathode ist umgeben vom Wehnelt-Zylinder, der gegenüber der Glühkathode auf einem negativen Potential liegt. Es bildet sich eine Raumladungswolke um die Kathode, die durch eine positive Beschleunigungsspannung durch eine Öffnung im Wehnelt-Zylinder zur Anode beschleunigt wird. Die Elektronen erreichen durch die an der Anode anliegende Beschleunigungsspannung U₀ eine Geschwindigkeit von

 ,

die wiederum direkt das Auflösungsvermögen beeinflusst.

Eine Elektronenoptik, bestehend aus diversen Linsen und Blenden, fokussiert die aus der Anode austretenden Elektronen zu einem schmalen monochromatischen Strahl. Der elektronenoptische Strahlengang wird im wesentlichen, ähnlich der lichtmikroskopischen Abbildung, durch ein dreistufiges Linsensystem bestimmt. Aus technischen Gründen werden heute fast ausschliesslich magnetische Linsen verwendet (Elektronenlinsen).

Die Elektronen treten in Wechselwirkung mit dem Präparat, werden nachgewiesen und in ein Bild umgewandelt. (Elektronenmikroskopie, analytische, Elektronenreflektionsmikroskop, Energiefilterelektronenmikroskop) [RK1]