Werkstoffe III (Praktikum)

Transkript

1 Werkstoffe III (Praktikum) Herbstsemester 2009 mittwochs, bis Uhr Teil 1: Raster-Elektronenmikroskopie von Baustoffen Name: Gruppe: Datum: Leitung: Gabriele Peschke (HIF E 22.2) Raum: HIF C 17.1 Wichtiger Hinweis: Abgabe der vollständig gelösten Übungen und der ausgewerteten Praktikumsversuche bis ca. eine Woche nach der Durchführung. Die Übungen können im roten Briefkorb in einem gekennzeichneten Schrank im Gang des E-Stockes beim Büro HIF E18 abgegeben werden. Korrigierte Exemplare können eine Woche nach dem letzten Praktikumstermin im entsprechenden grünen Briefkorb an derselben Stelle abgeholt werden.

2

3

4 Teil 1: Raster-Elektronenmikroskopie von Baustoffen 1 Einleitung Um die Beein ussung der physikalischen Eigenschaften (z.b. Festigkeit, thermische Wärmeleitfähigkeit, Durchlässigkeit) von Beton durch seine Bestandteile zu verstehen, ist es notwendig, eine Charakterisierung der mikroskopischen Struktur des Betons durchzuführen. Im Praktikum werden wir lernen, wie man ein Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) - engl.: Scanning Electron- Microscope (SEM) nutzt, um die Mikrostruktur von Beton zu untersuchen. Die beiden weit verbreiteten Methoden zur Untersuchung der Mikrostruktur von Beton sind die Lichtmikroskopie (LM) und die Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM). Die Lichtmikroskopie ist eine relativ einfache und billige Methode, um die Betonmikrostruktur zu untersuchen, die Au ösung dieser Technik begrenzt jedoch die Anwendung bei vielen Problemen in der Betonwissenschaft. Die Au ösung eines Mikroskops beschreibt das kleinste Merkmal, welches unter dem Mikroskop beobachtet werden kann. Die Au ösung des Lichtmikroskops beträgt 500 nm (=5x10-7 nm) und die des REMS 3 nm (=3x10-9 nm). Das bedeutet, dass man mit dem REM viel kleinere Strukturen beobachten kann. Zudem verfügen die REM-Bilder über eine höhere Qualität. Ein weiterer grosser Vorteil des REMs ist die Möglichkeit, Messungen durchzuführen und Aussagen über die chemische Zusammensetzung der Proben zu erhalten. Ein Nachteil des konventionellen REMs ist dagegen, dass die Bilddarstellung im Hochvakuum vorgenommen werden muss. Dies stellt ein besonderes Problem in der Betonwissenschaft dar. Wenn Beton aushärtet, reagiert das meiste Wasser mit dem Zement, dennoch bleibt ein Anteil von ca. 10% als freies Wasser in den Mikroporen des Betons zurück. Im Hochvakuum wird das freie Wasser verdampfen und die Folge davon ist, dass der Beton schwindet und reisst. Abbildung 1: FEI Quanta Environmental Scanning Electron Mikroscope (ESEM) 3

5

6 Teil 1: Raster-Elektronenmikroskopie von Baustoffen In einem magnetischen Feld ändern Elektronen ihre Bewegungsrichtung, ausser wenn sie sich parallel zu den magnetischen Feldlinien bewegen. Deshalb haben geeignete, magnetische Felder die gleiche fokusierende Wirkung zum Elektronenstrahl wie konvexe Glaslinsen zum Lichtstrahl (Abb. 3). Folglich werden nach diesem Prinzip die emittierten Elektronen aus der Kanone durch elektromagnetische Linsen und Blenden in der Säule zu einem Strahl gebündelt (mit in Stahl gefasste Kupferspulen). Abbildung 3: Ein uss der magnetischen Felder auf die Flugbahn der Elektronen Im unteren Teil der Säulen wird ein Strahl durch einen Rastergenerator abgelenkt und die Endlinse bündelt den Strahl zu einem kleinstmöglichen Spot auf die Probenober äche. Die schematische Skizze des REMs ist in Abb. 4 dargestellt. Abbildung 4: Abtastbewegung des Eletronenstrahls über die Probenober äche 2.1 Prinzipieller Bildaufbau Im Gegensatz zum optischen Lichtmikroskop werden die Elektronen in einem Raster-Elektronenmikroskop nie ein reales Bild der Probe liefern. Stattdessen wird ein virtuelles Bild, das von den Signalen der Elektronenstrahl/Proben-Wechselwirkung stammt, aufgebaut. In jedem Moment während des Bildaufbaus trifft der Strahl nur auf einen einzigen Punkt im Raster auf. Die Signalintensität variiert, denn sie wird von den Wechselwirkungen des sich von Punkt zu Punkt bewegenden Strahles (von Pixel zu Pixel) bestimmt. 5

7

8 Teil 1: Raster-Elektronenmikroskopie von Baustoffen Beleuchtungsquelle bestimmt wird, bedeutet dies für das REM ein klarer Vorteil gegenüber den lichtoptischen Methoden. Spannung Geschwindigkeit relativ zu c Wellenlänge (volt) (km/h) (%) (nm) pm Tabelle 1: Variation der Geschwindigkeit der Elektronen und deren Wellenlänge in Abhängigkeit zur Energie Das Au ösungsvermögen des REMs wird jedoch durch einige andere Faktoren eingeschränkt. Der wichtigste Faktor ist, dass die Au ösung des Mikroskops nicht besser sein kann als die Spotgrösse des Elektronenstrahls auf der Probenober äche (Abb. 5). Mit anderen Worten - kein REM kann Einzelheiten au ösen, die kleiner als die Spotgrösse des Elektronenstrahles sind. Ebenfalls ist die Au ösung eines REM-Bildes stark vom Probentyp abhängig. Deshalb liegt die Au ösung der heutzutage verfügbaren REMs bei etwa 3nm (d.h Mikrometer). Das Raster-Elektronenmikroskop verfügt ebenfalls über markante Vorteile gegenüber den lichtoptischen Methoden durch seine Fähigkeit unterschiedliche Probenhöhen unter Beibehaltung des Fokus im Bild (d.h. Tiefenschärfe) darzustellen. Dies ist der Tatsache zu verdanken, dass der Konvergenzwinkel des Elektronestrahls gegenüber dem gewöhnlichen Lichtmikroskop viel kleiner ist. Abbildung 5: Skizze des Elektronenstrahls in Kontakt mit der Probe 7

9

10 Teil 1: Raster-Elektronenmikroskopie von Baustoffen Abbildung 7: Verschiedene Produkte der Proben-Strahl Wechselwirkung Sekundärelektronen (SE) Die Sekundärelektronen (SE) sind die Elektronen, welche urspünglich aus den Probenatomen stammen und welche beim Auftreffen des Primärelektronenstrahl von ihrer Position herausgeschlagen wurden. Diese Elektronen verfügen über eine sehr geringe Energie und treten deshalb nur aus der äussersten Probenober äche aus (ca. 50 Nanometer). Die Sekundärelektronen, die von der Probe austreten, werden von dem Everhart-Thornley Detektor (Szintillator-Photomultiplier-Kombination) aufgefangen. Abbildung 8: Prinzip des Kanteneffektes bei Abbildung mit Sekundärelektronen Die Folge davon ist, dass SE-Signale Informationen über die Topogra e der Probe liefern. Dank dem sogenannten Kanteneffekt sind die SE-Bilder den visuellen Bildern am ähnlichsten (Abb. 8). Die topogra schen Spitzen der Probe verfügen über ein höheres angeregtes Wechselwirkungsvolumen, da sie näher an der Ober äche sind als die topogra schen Täler. Sie erscheinen aus diesem Grund heller als die Täler Rückstreuelektronen (Backscattered Electrons = BSE) Die Rückstreuelektronen (BSE=Backscattered Electrons) sind Elektronen des Primärstrahls, die durch die Wechselwirkungen innerhalb des Wechselwirkungsvolumens abgelenkt werden und zwar in der Art, dass sie die Probe wieder verlassen. Die BSE besitzen eine höhere Energie als die SE und können z.b. durch einen Solid-State-Detektor (SSD=Halbleiterdetektor) detektiert werden. 9

11

12 Teil 1: Raster-Elektronenmikroskopie von Baustoffen Phase Mineral Zusammensetzung Z (Durchschnitt) Klinker Ferrite Ca 2 (Al,Fe) 2 O Alite Ca 3 SiO Belite Ca 2 SiO Aluminate Ca 3 Al 2 O Hydratisierungs- C-S-H Gel 3CaO.2SiO 2.3H 2 O produkte Potlandite Ca(OH) Zuschlag Quartz SiO Feldspar KAlSi 3 O Faser Stahl Fe Tabelle 2: Durchschnittlicher Rückstreuelektronen-Koeffizient ( ) von den üblichen Mineralien im Beton Es ist ebenfalls klar, dass eine Erhöhung der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls die Bildauflösung reduziert, da die Diffusionbirne vergrössert wird. Im Falle von Sekundärelektronen, wird dagegen bei Erhöhung der Beschleunigungsspannung das Signalsrauschverhältnisses erniedrigt und dadurch das Leistungsvermögen des Mikroskopes verbessert (Abb. 10). Abbildung 10: Eindringtiefe der Primärelektronen in Kohle, Kupfer und Gold 11

13

14 Teil 1: Raster-Elektronenmikroskopie von Baustoffen Einschränkungen des Vakuums Es ist wichtig zu wissen, dass Elektronen in der Elektronenkanone produziert werden können, und dass ein hochwertiger Elektronenstrahl in der Elektronensäule nur unter guten Bedingungen eines sehr hohen Vakuums (besser als 10-5 Torrs) entsteht. In konventionellen REMs be ndet sich ein solches Hochvakuum auch in der Probenkammer. Vakuum-unverträgliche Proben wie feuchte, nasse und ausgasende Proben, wie Beton und Holz, können dagegen nicht erfolgreich im Hochvakuum des REMs abgebildet werden. Ernsthafte Beschädigungen auf der Probe infolge der Vakuumexposition und/oder Beeinträchtigung der Sauberkeit der elektronenoptischen Säule des Elektronenmikroskops könnten die Folge sein. 3 Variable Druck Raster-Elektronenmikroskopie (ESEM) Gemäss Ziff. 2.4 gibt es einige Proben, die schwierig oder überhaupt nicht im Hochvakuum oder im sog. konventionellen REM abgebildet werden können. Auf der anderen Seite muss die Elektronenkanone und die Elektronenoptik im Hochvakuum gehalten werden. Deshalb ist das Wichtigste bei einem variablen Druck-REM das Interface zwischen dem Raum der Elektronensäule und der Probenkammer. Der Druckunterschied in diesen zwei nebeneinander liegenden Räumen kann höher als 6 Grössenordnungen (d.h Torrs gegen 40 Torr) sein. Das oben erwähnte Interface ist mit druckbegrenzenden Aperturblenden (PLA s) ausgestattet, die gewöhnlich einige hundertstel-mikrometer Durchmesser aufweisen und im unteren Teil der Elektronensäule eingebaut sind. Es ist auch notwendig, die PLA s in der Art zu gestalten, dass sie den Elektronenstrahl beim Abrastern nicht stören. Ferner ist das Variable Druck-REM oder das sogenannte ESEM (= Environmental Scanning Electron Microscope, zu deutsch Atmosphärisches Raster-Elektronenmikroskop) mit speziellen Signaldetektoren ausgestattet, wie die konventionellen Detektoren (zum Beispiel ETD- und SSD-Detektoren), die nur im Hochvakuum verwendet werden können. 3.1 Gas- und Strahlwechselwirkung Es ist wichtig zu wissen, dass beim ESEM im Gegensatz zum Hochvakuum-Modus die Probenkammer mit Gasmolekülen gefüllt ist. Damit die Vorteile der Einführung des Gases in die Kammer realisiert werden können, muss die Gas-Strahlwechselwirkung und ihr Ein uss auf das Bild behandelt werden. Die Frage taucht auf: Wie ist es möglich, den Elektronenstrahl einer gashaltigen Atmosphäre in der Probenkammer unter Beibehaltung seines Au ösungsvermögens auszusetzen? Damit man diese Frage beantworten kann, muss man berücksichtigen, dass die Gas-Strahl-Wechselwirkung kein kontinuierlicher sondern ein diskreter Prozess ist. 13

15

16 Teil 1: Raster-Elektronenmikroskopie von Baustoffen Druck darzustellen, liegt der ideale Arbeitsdruck in der Kammer bei einer Detektorleistung zwischen 4 und 7 Torr. Damit man solche nassen Proben unter einem derartigen Druck beobachten kann, ist es notwendig, die Temperatur der Probe zu kontrollieren (Abb. 13). Dafür ist der Probentisch mit einem Peltier- Kühltisch ausgestattet. Abbildung 13: Druck-Temperatur Diagramm von Wasser (1 Torr = 133,3 Pa) Der Peltier-Kühltisch ist ein thermoelektrisches Modul, welches nach dem Peltier-Prinzip (siehe Abb. 14) arbeitet. Über Plastikschläuche wird die Flüssigkeit (aus einem Heizbad) in die Probenkammer transportiert. Abbildung 14: Prinzip des Peltier-Effektes. Die Hitze wird entweder aufgenommen oder abgegeben zwischen zwei (A vs B) verschiedenen Kontaktmaterialien 15

17

18