Warum Elektronenmikroskopie? - Auflösung

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1 Warum Elektronenmikroskopie? - Auflösung 1895 Wilhelm Conrad Röntgen - Entdeckung der Röntgenstrahlung 1897 Joseph John Thomson Messung der Elektronenmasse (Partikel im Kathodenstrahl, war erst möglich mit verbessertem Vakuum 1924 Louis de Broglie Zuordnung einer Wellenlänge zu einem Partikel λ = h mm 1927 Davisson und Germer (niedrige Energie) und Thompson und Reid (hohe Energie) - Nachweis des Wellencharakters der Elektronen durch Beugungsexperimente λ = h = p h m eu * 2 0 B Höhere Auflösung r th = 0,61λ β β= Öffnungswinkel oder Konvergenzwinkel, durch die gewählte Objektivblende definiert

2 Wie beschreibt man eine Wechselwirkung? Wirkungsquerschnitt σ: Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zwischen einem einfallenden Teilchen und einem Target. differentieller Wirkungsquerschnitt dσ dω Wahrscheinlichkeit, dass ein gestreutes Teilchen von einem Detektor mit der Fläche F, die ein Raumwinkelelement dω detektiert wird. d Ω = sin( θ ) dθdφ = F / r 2 - je größer der Streuwinkel desto geringer ist die Wechselwirkung

3 Warum Elektronenmikroskopie? - Wechselwirkung Coulombwechselwirkung = Großer Wirkungsquerschnitt Sehr kleine Volumina nm 3 messbar

4 Die Coulombwechselwirkung Rutherfordstreuung e - Au-Folie Film d dω R 2 = Z Z 1 e 4πε 0E σ 2 2 sin 4 1 ( Θ 2) Die Rutherford sche Formel gilt nur, wenn v<<c! Es werden Spin-Effekte vernachlässigt. - je schwerer die Atome, desto größer ist die Wechselwirkung - je schneller die Elektronen desto geringer ist die Wechselwirkung

5 Wirkungsquerschnitt Streufaktor - Intensität f ( Θ) = 2 σ d ( Θ) dω atomarer Streufaktor oder Atomformfaktor f(i) : Fouriertransformierte der Potentialverteilung eines Atoms, spezifisch für jede Atomsorte i Atomarer Röntgenstreufaktor f x (Θ, i): atomarer Streufaktor berechnet für Röntgenstrahlung Atomarer Elektronenstreufaktor f e (Θ, i): oft bezogen auf f x (Θ, i) unter Annahme eines kugelförmigen Potentials (Kern) = Mott-Formel f e Θ, i = Z f x Θ, i πθ 2 Strukturfaktor F : Summation über alle atomaren Streufaktoren, gewichtet mit der Lage der Atome im Streuvolumen F Θ ) = f i exp(2πi( hxi + kyi + lz )) ( i 2 F hkl I

6 Die Coulombwechselwirkung Mott Formel dσ dω Mott = dσ dω Rutherford 1 v c 2 sin 2 ( Θ 2) - Fermion (s=1/2) wird an statischer Punktladung gestreut (s=0) - Berücksichtigt Spin und relativistische Effekte Beschreibt Verhalten bei sehr kleinen Streuwinkeln schlecht: - diffuser Beitrag durch inelastische Streuung an Elektronenhülle ist hoch - Abschirmungseffekte durch Hülle Beste Anpassung: σ Z 3 2

7 WW. Der Elektronen mit Materie

8 Anfänge der Elektronenmikroskopie 1926 H. Busch: Entwicklung von Elektronenlinsen Abbildung möglich Das Elektronenmikroskop ist prinzipiell mit einem Lichtmikroskop vergleichbar. Über ein Beleuchtungssystem wird das Objekt bestrahlt. Das Objektiv als zentrale Linse entwirft ein reelles, vergrößertes Zwischenbild eines Objektes welches dann über das Okular weiter vergrößert betrachtet werden kann. Ernst Ruska ( ) Nobelpreis 1986 Erstes von Siemens hergestelltes TEM

9 Elektronenmikroskopie - Auflösungslimits 1933: Ruska unterbot die Auflösung eines optischen Mikroskops, er erreichte 50nm theoretische Auflösungsvermögen reduziert durch Linsenfehler (analog zu denen in der geometrischen Optik) Bis auf die sphärische Aberration können sie aber mit geeigneten Maßnahmen unterdrückt werden. So ist es auch die sphärische Aberration, die die Auflösung des EM maßgeblich beeinträchtigt. 1945: durch Ausräumung der meisten Linsenfehler wurde eine Auflösung von 1nm erreicht 1997/1998: O. Krivanek/ M. Haider Bau von Linsenfehlerkorrektoren (Cs- Korrektoren) für TEM/STEM es konnten 0,06nm Auflösung erreicht werden

10 Das Elektronenmikroskop - Elektronenquelle

11 Elektronenquellen Thermische Emitter J = AT 2 e Φ k B T = 4πππ h 3 (k B T) 2 e Φ k B T Wolframdraht Kathode nur gerade bis zur Sättigung aufheizen LaB 6 - Kristall

12 Elektronenquellen - Feldemissionskanonen CFEG: Cold Field Emission Gun W [310] Einkristall, Instabilität durch Verschmutzung der Oberfläche SFEG: Schottky-Quelle W[100] Einkristall mit ZrO-Schicht, erhöhte Lebensdauer, niedrigeres Vakuum, sehr stabiler Emissionsstrom

13 Das Elektronenmikroskop - Beleuchtungssystem

14 Elektromagnetische Linsen Lange magnetische Linsen Elektrostatische Linsen f = πmv eb 2 ω r = Bvesinϕ m Kurze magnetische Linsen der Beschleunigungsspannung vergleichbare Spannung nötig Öffnungsfehler 4-10 mal höher als magnetische Linse. 1 f = 8 e mu B ( v B) F = e 2 dz

15 Ablenkelemente

16 Das Elektronenmikroskop - Vergrößerungssystem

17 Umschalten zwischen Abbildung und Beugung

18 Wirkung der Kontrastblende

19 Elektronenmikroskop-Typen 1938: von Ardenne erstes Rastertransmissionselektronenmikroskops (scanning transmission electron microscopy = STEM) 1942 Vladimir Zvorykin erstes Rasterelektronenmikroskops (REM) (Scanning Electron Microscopy = SEM)

20 Conventional TEM scanning TEM CTEM: - Bilderzeugung durch Interferenz - Objektivlinse verwendet Linsenfehler STEM: - punktweise Abbildung/Analyse - Objektivlinse nicht verwendet - Linsenfehler nur für Strahl relevant - Auflösung definiert durch Strahlgröße

21 Conventional TEM scanning TEM ADF: 50 mrad HAADF: 150 mrad

22 Beispiel - hochauflösendes STEM

23 Auswertung elementspezifischer Signale

24 X-rays Auger - Lumineszenz Signaldetektion oberhalb der Probe STEM und SEM

25 X-ray spectroscopy EDXS / WDXS

26 Wavelength dispersive X-ray spectroscopy - WDXS Die winkeldispersive Analyse WDXS nutzt die Bragg-Reflexion am Einkristall. Röntgenstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge werden bei verschiedenen Glanzwinkeln detektiert, die charakteristisch für das entsprechende Element sind.

27 Energy dispersive X-ray spectroscopy - EDXS Energiedispersive Analyse: im Detektor werden Photoelektronen proportional zu dem Energiequantum des Röntgenstrahls erzeugt. Der Ladungspuls im Detektor wird in einen Spannungspuls übersetzt. Die Spannung wird in Kanälen, variierbarer Größe, gemessen und mittels eines Computers in ein Spektrum umgerechnet.

28 Energy dispersive X-ray spectroscopy - EDXS

29 Energy dispersive X-ray spectroscopy - EDXS EDXS erlaubt die einfache Bestimmung der meisten Elemente Mögliche Störungen: - Ionisationskanten liegen dicht beieinander (leichte Elemente) - Messung nur ab Be möglich - Überlappung mit anderen Übergängen Verwendung von alternativen Linien Relative Quantifizierung meist möglich Absolute Quantifizierung nur über die Messung von Standards

30 Detektionsgrenzen der Röntgenanalyse

31 Laterale Ortsauflösung in STEM oder SEM dünne Proben (STEM): Auflösung durch Strahldurchmesser bestimmt Dicke Proben (SEM): Auflösung stark reduziert durch Streubirne

32 Elemental Mapping Elementspezifische Auswertung der pro Rasterpunkt aufgenommenen Spektren, empfindlich gegen Probendrift

33 Beispiel hochauflösendes elemental Mapping

34 Electron Energy loss spectroscopy - EELS Komplementär zur Analyse der Röntgenstrahlung; Analyse des Energieverlusts der Primärelektronen Messung in Transmission TEM und STEM Zero-loss Plasmonen Charakteristische Kanten sehr klein

35 Electron Energy loss spectroscopy - EELS

36 Electron Energy loss spectroscopy - EELS σ π

37 Electron Energy loss spectroscopy - EELS CuO-Partikel

38 Elementspezifische Abbildung zwei Wege Energy filtered TEM (EFTEM) TEM Modus = parallele Bestrahlung der Probe Filter mit Spalt = Verwendung von Elektronen einer bestimmten Energie zur Abbildung unempfindlich gegen Drift Electron energy loss spectroscopy STEM Modus = konvergente Bestrahlung der Probe Aufnahme eines Spektrums für jeden Rasterpunkt empfindlich gegen Drift

39 EELS in-column filter (Omega Filter Zeiss, Jeol)

40 EELS post column filter (Gatan Imaging Filter GIF)

41 Beispiel elemental mapping EELS

42 Beispiel elemental mapping EELS EELS mapping - FET a) Ti L 2,3 -edges elemental map; b) La M 4,5 - edges elemental map; c) Sr L 2,3 -edges at 1940 ev elemental map; d) Mn L 2,3 -edges elemental map; e) colorized map using the color scheme from Figures a-d.