Techniklexikon

Rasterelektronenmikroskop

Laboratoriumsmethoden und -geräteOptik, modifizierte Form des Elektronenmikroskops, das besonders zur Abbildung von Festkörperoberflächen eingesetzt wird (siehe Abb. 1).

In einem Rasterelektronenmikroskop wird ein feiner Strahl von Elektronen, die von einer Kathode emittiert werden, zwischen dieser und einer Anode auf die Energie E₀ beschleunigt und durch zwei oder mehr Elektronenlinsen auf die Probe fokussiert. Durch elektrostatische Deflektoren wird der Strahl über die Probenoberfläche gerastert. Um eine hohe mittlere freie Weglänge zu erzielen, befindet sich die Säule eines Elektronenmikroskops in einem Vakuum. Infolge der Wechselwirkung der beschleunigten Elektronen mit der Probe erzeugt der auf die Probe treffende Elektronenstrahl eine Vielzahl von Signalen, die charakteristische lokale Eigenschaften der Probe wiedergeben. Mittels unterschiedlichster Detektortypen können diese Signale simultan erfasst, verstärkt und dargestellt werden. Von entscheidender Bedeutung für den Informationsgehalt der Signale ist die erreichbare laterale Auflösung. Die Ausdehung des Fokusbereichs ist von mehreren Probeneigenschaften und Geräteparametern abhängig. Einen wesentlichen Einfluss hat der Elektronenstrahldurchmesser, der bestimmt wird durch die Energie E₀ und Energiebreite DE der Elektronen, der sphärischen und chromatischen Aberration der Objektivlinse sowie dem durch die Objektivaperturblende definierten Aperturwinkel. Hochauflösende Rasterelektronenmikroskope erreichen mit 30 keV-Elektronen an Testpräparaten ein Auflösungsvermögen von etwa 0,6 nm. Biologische Proben können mit etwa 2 nm Auflösung betrachtet werden. Die Kontrastentstehung in der Rasterelektronenmikroskopie ist noch nicht vollständig verstanden, jedoch haben Monte-Carlo-Simulationen wesentliche Beiträge zum Verständnis geliefert. Diesen Simulationen zufolge liefern sog. primäre Sekundärelektronen, die in unmittelbarer Umgebung des Elektronenstrahlfokus entstehen, einen signifikanten Beitrag. Prinzipiell sollten Proben leitend sein oder mit einer sehr dünnen Metallschicht bedampft werden, um Aufladungseffekte zu vermeiden. Dies ist insbesondere bei biologischen Proben nicht immer ein gangbarer Weg. Aus diesem Grunde wurde ein spezieller Gerätetyp, das Umweltrasterelektronenmikroskop (ESEM) entwickelt, der über ein stufenförmiges Vakuumsystem verfügt, so dass die Probe selbst in angenäherten Normalbedingungen, die Kathode sich jedoch im Hochvakuum befindet.

Rasterelektronenmikroskop 1: Schematischer Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops.

Rasterelektronenmikroskop 2: Aufnahme einer Silber-(11,3,1)-Einkristalloberfläche nach Beschuss mit Ar-Ionen. (aus: Bergmann/Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik Bd. 3)

Rasterelektronenmikroskop 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Kieselalge (Diatomee).