Mit Elektronenmikroskopie die Nanowelt erkunden

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Viktor Schuler
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1 Mit Elektronenmikroskopie die Nanowelt erkunden Dagmar Gerthsen Laboratorium für Elektronenmikroskopie, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) D. Gerthsen (LEM, KIT)

2 Auflösung in der Mikroskopie Größe von Objekten - Kleine Insekten < 1 mm - Biologische Zellen < 20 µm - Bakterien < 1 µm - Zellmembranen» 10 nm - Atome» 0,1 nm Auflösung - Auge ~ 0,1 mm - Konventionelle Lichtmikroskopie ~ 0,2 µm - Superresolution Lichtmikroskopie ~ 20 nm - Rasterelektronenmikroskop ~ 1,0 nm - Transmissionselektronenmikroskop ~ 0,05 nm Abbe sche Gleichung für minimalen Abstand getrennt auflösbarer benachbarter Bildpunkte λ: Wellenlänge n: Bechungsindex a: Aperturwinkel der Linse 0.61 λ d=»l nsin α Wellenlängen λ: - grünes Licht ~ 500 nm - Ultraviolett (UV) < 250 nm - Röntgenstrahlung < 0,1 nm - Elektronen (20 kev) ~ 10 pm - Elektronen (200 kev) ~ 2,5 pm D. Gerthsen (LEM, KIT) 2

3 Licht- und Materiewellen Basis der Verbesserung des Auflösungsvermögens: Welle-Teilchen Dualismus Impuls und kinetische Energie (de eines Bro 1924) im Vakuum mit der Spannung U beschleunigten Elektrons r h p 2 p = l h eu = p = 2eUm l = 2 m 2eUm m, e: Elektronenmasse, Elektronenladung p: Impuls l: Wellenlänge U. Beschleunigungsspannung h: Planck sche Konstante 1.05x10-34 Nms (6.5x10-16 evs) Wellenlänge in pm (10-12 m) Elektronenenergie in kev 38,8 1 12,2 10 8,6 20 7,0 30 3, ,5 200 Rasterelektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie D. Gerthsen (LEM, KIT) 3

4 Nobelpreis für Physik 1986 Transmissionselektronenmikroskop 1933 (Nachbau) Ernst Ruska D. Gerthsen (LEM, KIT) 4

5 Rasterelektronenmikroskopie (REM) Zecke Oberflächentopographie kleiner Objekte Kieselalge J. Hawecker D. Gerthsen (LEM, KIT) 5

6 Das Rasterelektronenmikroskop Typische Elektronenenergien wählbar zwischen 1 30 kev Elektronenlinsen: magnetische Felder Erzeugung eines gebündelten Elektronenstrahls auf der Probenoberfläche Probenoberfläche wird abgerastert (Rastergenerator, Ablenkspulen) Wechselwirkung zwischen Probe und Strahlelektronen Emission von Elektronen aus der Probe Image Process. Detektion der emittierten Elektronen (Detektor, Verstärker) Ladung zur Abrasterung der Probenoberfläche synchrone Darstellung der Ladung auf einem Bildschirm Kein abbildendes Linsensystem D. Gerthsen (LEM, KIT) 6

7 Rasterelektronenmikroskopie Kosten: bis D. Gerthsen (LEM, KIT)

8 Magnetische Elektronenlinsen Elektron mit Geschwindigkeit v im Magnetfeld B: Lorenzkraft r F =-e r ( v B) Bewegung der Elektronen auf Spiralbahnen Elektronenlinsen haben schlechte optische Eigenschaften: starke Öffnungsfehler, Farbfehler,. Begrenzung des Auflösungsvermögens auf bestenfalls 0, m trotz kleiner Wellenlänge im Bereich von Pikometern (10-12 m) Im Rasterelektronenmikroskop: Fokussierung des Elektronenstrahls auf Durchmesser von bestenfalls 0,3 nm D. Gerthsen (LEM, KIT) 8

9 Bilderzeugung und Vergrößerung Intensität I(i,j) I( Monitor Ladung Q(i,j) Probe L Vergrößerung V = L l l Elektronenstrahl rastert Pixel-für-Pixel über die Probenoberfläche Einsammeln von Elektronen (Detektor), die von der Probe emittiert werden, über Verweildauer des Strahls auf dem Pixel Q(i,j) Lokale Bildintensität I(i,j) durch Ladung Q(i,j) kleine Ladung dunkles Pixel hohe Ladung helles Pixel D. Gerthsen (LEM, KIT) 9

10 Probenpräparation für REM Anforderungen 1. Elektrisch leitende Probenoberfläche Aufbringen (Sputtern, Aufdampfen) einer dünnen C- oder Pt-Schicht bei elektrisch isolierenden Proben 2. Trockene Proben, da Hochvakuum in der Mikroskopkammer Biologische Objekte müssen getrocknet werden ohne Veränderung der Objektstruktur komplexe Prozedur D. Gerthsen (LEM, KIT) 10

11 Bilderzeugung D. Gerthsen (LEM, KIT) 11

12 Hohe Schärfentiefe P. Pfundstein (Laboratorium für Elektronenmikroskopie) Kleiner Öffnungswinkel des Elektronenstrahls D. Gerthsen (LEM, KIT) 12

13 Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen Primärelektronenenergie E 0 (typisch 10 kev) Primärelektronenstrahl RE Emittierte SE RE RE Probenoberfläche Absorbierte SE Goodhews, Humphreys, Beanland, Electron Microscopy and Analysis, Fig. 5.7a Primärelektronen werden in der Probe gestreut: Streuprozesse mit Atomkernen und Elektronen der Probe Sekundärelektronen (SE) mit geringer kinetischer Energie E< 50 ev Rückstreuelektronen (RE) mit höherer kinetischen Energie 50 ev E E 0 Emission von SE nur, wenn SE in der Nähe der Probenoberfläche entstehen D. Gerthsen (LEM, KIT) 13

14 Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen Probenoberfläche Primärelektronenstrahl Röntgenstrahlung Maximale Eindringtiefe der Primärelektronen Maximale Austrittstiefe SE ~ 1-10 nm Maximale Austrittstiefe RE ~ 0.3 maximale Eindringtiefe Wechselwirkungsvolumen: Einhüllendes Volumen der Elektronenbahnen Eindringtiefen zwischen 100 nm und mehreren mm abhängig von - Dichte, mittlere Ordnungszahl des Probenmaterials - Primärelektronenenergie E 0 Hochauflösende REM nur mit Sekundärelektronen, die nahe der Oberfläche erzeugt werden Chemische Analyse durch Analyse der charakteristischen Röntgenstrahlung, die von den Elektronen erzeugt wird D. Gerthsen (LEM, KIT) 14

15 Abbildung mit Sekundärelektronen Kontrast bestimmt durch - räumliche Anordnung des Detektors in Relation zum Objekt - lokale Neigung der Probenoberfläche zur Richtung des Primärelektronenstrahls Topographiekontrast Detektor Primärelektronen SE RE +V bias 1 mm Volker Zibat (LEM) D. Gerthsen (LEM, KIT) 15

16 Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen Primärelektronen SE Probenoberfläche RE Anzahl der Rückstreu- und Sekundärelektronen nimmt zu mit zunehmender Neigung der Probenoberfläche in Relation zum Primärelektronenstrahl höhere Bildhelligkeit für stark geneigte Oberflächen D. Gerthsen (LEM, KIT) 16

17 Abbildung mit Rückstreuelektronen Kontrast bestimmt durch - lokale Neigung der Probenoberfläche zur Richtung des Primärelektronenstrahls - räumliche Anordnung des Detektors in Relation zum Objekt - Ordnungszahl des Probenmaterials Topographiekontrast Materialkontrast Detektor Primärelektronen SE RE -V bias 1 mm D. Gerthsen (LEM, KIT) 17

18 SE und RE Abbildung SE Abbildung RE Abbildung Pt Pt a) P. Brenner, H. Blank (Laboratorium für Elektronenmikroskopie, KIT) 1 mm 1 mm b) HT-19 Darmkarzinomzellen nach Inkubation mit Pt-Nanoteilchen D. Gerthsen (LEM, KIT) 18 Pt

19 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Oberer Teil der Mikroskopsäule des FEI Titan Philips CM200 Auflösungsvermögen 0,24 nm FEI Titan Auflösungsvermögen 0,07 nm D. Gerthsen (LEM, KIT) 19

20 Transmissionselektronenmikroskopie Ni 2 O Nanoteilchen Polykristalline SrTiO 3 Keramik R. Popescu (LEM) C. Feldmann (Institut für Anorganische Chemie) Maximale Probendicke 1 mm Information über Probenvolumen Oft keine intuitive Kontrastinterpretation! Simon Kraschewski (LEM) D. Gerthsen (LEM, KIT) 20

21 Transmissionselektronenmikroskopie Platin Cluster und einzelne Platin Atome auf einem dünnen Kohlenstofffilm R. Schneider (LEM) D. Gerthsen (LEM, KIT) 21

22 Zusammenfassung Rasterelektronenmikroskopie: Oberflächentopographie und Materialkontrast Bilderzeugung ohne abbildendes Linsensystem Intuitive Kontrastinterpretation Abbildung großer Objekte mit hoher Schärfentiefe Abbildung der Oberflächentopographie mit Sekundärelektronen mit Auflösung bis in den Bereich von 1 nm Materialkontrast bei der Abbildung mit Rückstreuelektronen Transmissionselektronenmikroskopie: Volumeninformation über dünne Probe Häufig keine intuitive Kontrastinterpretation D. Gerthsen (LEM, KIT) 22

23 Literatur Rasterelektronenmikroskopie John J. Bozzola, Lonnie D. Russel, Electron Microscopy, Johns and Bartlett Publishers 1998, (electron microscopy for biology and medicine) Ludwig Reimer, Scanning Electron Microscopy, Springer Verlag, 1985, (Textbook on SEM for physicists) Peter Fritz Schmidt, Praxis der Rasterelektronenmikroskopie und Mikrobereichsanalyse, Expert Verlag, 1994 P.J. Goodhews, F.J. Humphreys, R. Beanland, Electron Microscopy and Analysis, 3rd edition, Taylor and Francis 2000 (simple introduction to electron microscopy) Graham Lawes, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Wiley 1987 Oliver Wells (Editor), Scanning Electron Microscopy, McGraw-Hill 1974 Joseph I. Goldstein, Harvey Yakowitz, Practical Scanning Electron Microscopy, Plenum Press 1975 Analytische Techniken David B. Williams, C. Barry Carter, Transmission Electron Microscopy, Part IV Spectrometry, Plenum Press, 2nd edition 2009 M.H. Loretto, Electron Beam Analysis of Materials, Chapman and Hall, 1984 S.J.B. Reed, Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology, Cambridge University Press 1996 D. Gerthsen (LEM, KIT) 23

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