Elektronenmikroskopie: Ein vielseitiges Werkzeug zur strukturellen und chemischen Analyse von Mikro- und Nanostrukturen

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1 Elektronenmikroskopie: Ein vielseitiges Werkzeug zur strukturellen und chemischen Analyse von Mikro- und Nanostrukturen Dr. Armin Feldhoff Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie LNQE-Kolloquium,

2 Sekundärelektronendetektor Semi-in-lens-Detektor für kleine Arbeitsabstände Rückstreuelektronendetektor (BSE) Energiedispersives Röntgenspektrometer (EDXS), Oxford Instruments INCA 300, Detektion ab Be (Z = 4) Feldemissions- Rasterelektronenmikroskop (FE-REM) JEOL JSM-6700F Auflösungsvermögen: 1,0 15kV 2,2 1kV Beschleunigungsspannung: 0,5-30 kv Bruchspiegel eines Perowskitrohrs (Membran zur Sauerstoffabtrennung) Gekreuzte TiO 2 -Hohlfasern Katalysatorträger aus TiO 2 (Anatas)

3 In-situ-Beobachtung eines Oxidationsvorgangs ESEM: Environmental Scanning Electron Microscope Aufsicht: 1 h Beobachtungszeit trockene Luft feuchte Luft Gas p = 0.33 kpa Pumpe Si 3 N 4 -TiN-Kompositkeramik bei 1100 C: Kornvergröberung und Ausbildung facettierter TiO 2 -Kristalle (Rutil) begleiten das Zusammenwachsen einer Oberflächenschicht. 2 µm A. Feldhoff et al., J. Eur. Ceram. Soc. 25, 1733 (2005).

4 Transmissionselektronenmikroskopie (BF, DF, HRTEM) Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM mit BF, HAADF) Elektronenbeugung (SAED, CBED, auch energiegefiltert) Energiegefilterte Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM) Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS, ELNES), Gatan Imaging Filter, GIF 2001, mit 1k-CCD-Kamera Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS), Oxford Instruments INCA 200, Detektion ab Be (Z = 4) Feldemissions-Transmissionselektronenmikroskop (FE-TEM) JEOL JEM-2100F-UHR Schottky-Feldemitter (ZrO/W(100)) Beschleunigungsspannung: 200 kv (160 kv) Punktauflösung: 0,19 nm (C s = 0,5 mm) Gitterauflösung für STEM: 0,2 nm Energieauflösung für EELS: 0,7 ev unfiltered energy-filtered (20 ± 1 ev) 2.0 Å 1.8 Å Goldteilchen, oberflächenfunktionalisiert mit Proteinfilm Perowskit entlang [012] (Ba 0.5 Sr 0.5 Fe 0.8 Zn 0.2 O 3-δ ) TiO 2-x -Stäbchen (Anatas) mit planaren Defekten

5 Ruska und Knoll: Die Erfindung des Elektronenmikroskops Ernst Ruska ( ) Max Knoll ( ) Das erste zweistufige Elektronenmikroskop, konstruiert von Knoll and Ruska (1931) Auszüge der Nobelpreisrede von Ernst Ruska (8. Dezember 1986)

6 1939: das erste seriengefertigte TEM, Fa. Siemens & Halske AG, Berlin Dr.-Ing. Ernst Ruska ( ) Dr.-Ing. Bodo von Borries ( ) Dr. med. Helmut Ruska ( ) erreichte fache Vergrößerung Die Sichtbarmachung der Viren (1940)

7 Abbildung mit einem Durchstrahlungsmikroskop Objekt Realraum = Ortsraum FT Beugungsbild reziproker Raum = Impulsraum FT Bild Realraum = Ortsraum

8 SiO 2 -Nanoröhrchen, gefüllt mit Platin Hellfeld (BF) Feinbereichsbeugung (SAED) Dunkelfeld (DF) 50 nm Hellfeld-Modus Dunkelfeld-Modus 50 nm Materialsynthese: L. Ren, M. Wark (Uni-H-PCI)

9 SiO 2 -TiO 2 -Nanoröhrchen, gefüllt mit Platin Ultramikrotom-Dünnschnitt Pt 011 [111] Materialsynthese: I. Bannat, M. Wark (Uni-H-PCI)

10 Korngrenze in einer (Ba 0.5 Sr 0.5 )(Zn 0.2 Fe 0.8 )O 3-δ -Keramik Ladungstransport über innere Grenzflächen: nm ionische + elektronische Leitung Gitterfehlpassung f wird durch Einbau von Anpassungsversetzungen ausgeglichen nm f = d 1 2 d ( d + d ) 1 ( 0,291 nm + 0,184 nm) ,291 nm 0,184 nm 1.07 = = = 45 % A. Feldhoff, J. Martynczuk, H. Wang, Progr. Solid State Chem. (in press)

11 Goldkolloide, oberflächen-funktionalisiert mit Maus-Gen (IgC) Ermittlung des optimalen ph-werts für die Konjugation Antikörper + Gold ph 7,0 ph 8,0 ph 9,5 ungefiltert Energie-gefilterte Abbildung (20 ± 1 ev ): Mit Elektronen, die inelastisch an Proteinmolekülen gestreut wurden. Konjugationsreaktionen: St. Kroll, R. Ulber (Uni-H-TCI)

12 Welche Energie haben die transmittierten Elektronen? Probe Eingangsapertur Magnetisches Prisma B r Energieselektionsspalt Kamera CCD- Linsensystem EELS: Spektrum EFTEM: Abbildung EELS: Electron Energy-Loss Spectroscopy, EFTEM: Energy-Filtered TEM

13 EELS: Linienprofil über eine Grenzschicht C-K Kohlenstoffaser / CVD-TiN / Magnesium N-K Ti-L 23 x 1000 O-K fibre coating matrix Abstand der Analysenpunkte: 1,5 nm. Spektrale Auflösung: 0,7 ev energy loss [ev] A. Feldhoff, E. Pippel, J. Woltersdorf, Adv. Eng. Mater. 2 (8), (2000).

14 Kantennahe Feinstrukturen (ELNES) DFT-Rechnungen Energien besetzter und unbesetzter Niveaus E = 1.8 ev E = 2.1 ev J. Woltersdorf, A. Feldhoff, O. Lichtenberger, Cryst. Res. Technol. 35 (6-7), (2000).

15 Energie-gefilterte Elektronenbeugung TiO 2-x -Nanostäbchen (substöchiometrischer Anatas) ungefiltert elastisch gefiltert ( E = 12 ev) Materialsynthese: M. Zukalova (Academy of Science, Prague)

16 Konvergente Elektronenbeugung (CBED) Beispiel: Silizium entlang [111]

17 Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) Z-Kontrast-Abbildung Z(O) = 8, Z(Si) = 14, Z(Sn) = 50 SiO 2 - Molekularsieb MCM-41, Kanäle teilweise gefüllt mit SnO 2 20 nm Materialsynthese: L. Ren, M. Wark (Uni-H-PCI)

18 Analytische Elektronenmikroskopie: Eine leistungsstarke Methodenkombination zur strukturellen und chemischen Charakterisierung fester Stoffe bis hinab zur atomaren Skala.