Rasterelektronenmikroskopie

Rasterelektronenmikroskopie Manuel Hohmann Martin von den Driesch 7. März 2005 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung zum REM 2 1.1 Allgemeines........................................ 2 1.2 Zur Herstellung des Vakuums.............................. 2 1.3 Weitere Hochvakuumpumpen.............................. 3 1.4 Arbeitsprinzip des REM................................. 4 1.4.1 Zur Kathode................................... 5 2 Versuchsergebnisse 6 2.1 Eichung.......................................... 6 2.2 EDX............................................ 6 2.3 Diverse Proben...................................... 9 2.3.1 Cornflake..................................... 9 2.3.2 CD......................................... 12 2.3.3 Papier....................................... 15 2.3.4 Rosenblütenblatt................................. 17 2.3.5 Blumenerde.................................... 18 2.3.6 Hefe........................................ 21 2.3.7 Barthaare..................................... 23 1

1 Einführung zum REM 1.1 Allgemeines Das Elektronenmikroskop war in den 30-er Jahren entwickelt worden als Alternative zum Lichtmikroskop. (Dabei handelte es sich um sog. Transmissionsmikroskope (TEM), bie denen die ganze Probe mit Elektronen durchstrahlt wird). In unserem Fall wurde ein Rasterelektronenmikroskop (REM) verwendet, bei dem die Probe mit dem Strahl rasterartig abgetastet wird (siehe unten). Mit seiner Hilfe lassen sich wesentlich bessere Auflösungen erreichen als mit den optischen Mikroskopen, weil man nicht mehr durch die Wellenlänge des Lichtes eingeschränkt ist. Es hat allerdings auch erhebliche Nachteile: im Gegensatz zu sichtbaren Licht wechselwirken die Elektronen ziemlich stark mit der Luft (neben einem wertlosen Bild kann es infolge der Ionisation zu Überschlägen kommen; außerdem reagiert die Luft mit der Kathode, so daß diese zerstört wird). Aus diesem Grund muß man recht gute Vakua herstellen (siehe unten). Das führt zum Austrocknen der Probe; die dabei freiwerdende Feuchtigkeit ist nur schwer aus dem Mikroskop herauszukriegen. Bei Isolatoren besteht die Gefahr der Aufladung, weswegen leitende Proben empfehlenswert sind. Ansonsten muß man die Probe mit einer Goldschicht überziehen; da Gold leitend ist, wird so das Aufladen verhindert, das sonst einsichtigerweise durch Wechselwirkung mit dem Strahl das Bild zerstört. 1.2 Zur Herstellung des Vakuums Abbildung 1.2.0.1: Rotationspumpen [1] Die 1. Stufe des Vakuums wird durch sog. Rotationspumpen hergestellt. Wie man anhand von Abb. 1.2.0.1 sieht, gibt es einen Rotor, der mit Hilfe eines Schiebers die Luft nach draußen treibt; im Bereich des Auslaßventils ist der Hohlraum verengt, damit dort der Druck größer ist und die Luft nach draußen gedrückt wird. Das Ventil verhindert ein Zurückströmen. Beim Einlaß hingegen beginnt nach dem analogen Prinzip sich der Hohlraum zu weiten. Durch Hintereinanderschalten läßt sich der Druck noch weiter erniedrigen. Im allgemeinen erreicht man nur ein Grobvakuum (ca. 10 3 mbar). Als 2. Stufe wurde in unserem Fall eine sog. Diffusionspumpe verwendet. Von einem heißen Ölbad steigt Dampf auf, der im Schlot durch die Röhren umgelenkt und mit hoher Geschwindigkeit die noch verbliebenen Gasmoleküle mitreißt (siehe Abb. 1.2.0.2). An der Wand kondensiert das Ölgas. Das Restgas läßt sich so komprimieren, so daß es von Rotationspumpenabgesaugt werden kann. Die Diffusionspumpen werden ebenfalls hintereinandergeschaltet, wobei der Dampfdruck um das 10-fache erhöht wird. Der Vorteil liegt vor allem darin, daß es keíne beweglichen Teile gibt. 2

1.3 Weitere Hochvakuumpumpen Alternativ zur Diffusionspumpe gibt es noch weitere Typen; zu nennen wäre da die sog. Turbomolekularpumpe; dabei wird eine koplizierte Anordnung von Rotoren und Statoren verwendet, um die noch verbliebenen Moleküle durch mechanischen Impulsübertrag nach draußen zu transportieren. Dieser Typ benötigt Rotationen von bis zu 90000 U/min und erreicht Drücke von 10 11 mbarvor allem ist das Vakuum sauberer als bei der Diffusionspumpe (keine Ölrückstände). Daneben gibt es noch Pumpen, die die Moleküle binden. Das geschieht chemisch oder auch dorch Kondensation an einer extrem kalten Oberfläche. Diese Pumpen dienen zur Erzeugung eines Hochvakuums und sind in unserem Versuch nicht eingesetzt worden. Abbildung 1.2.0.2: Öldiffusionspumpe [1] 3

1.4 Arbeitsprinzip des REM Abbildung 1.4.0.3: Schemazeichnung eines REM [1] In Abb. 1.4.0.3 ist das Arbeitsprinzip des REM skizziert. In der Elektronenkanone wird ein Strahl von Elektronen mit einer Energie von 25keV erzeugt. Die Kondensorlinse dient zur Bündelung des Strahles. Auf diese Weise entsteht ein virtuelles Bild, das von der Objektivlinse aus die Probe abgebildet wird. Die Auflösung hängt von der Größe des reellen Bildes auf der Probe ab und damit vom Abbildungsverhältnis der Anordnung. Im Gegensatz zum Lichtmikroskop wirkt sich die Größe der Wellenlänge des Elektronenstrahles nicht störend auf die Güte der Auflösung, was man sich anhand folgender kurzen Rechnung klar macht: E = hν = hc λ λ = hc 197Mev fm = = 7, 90pm E 25keV Die De-Broglie-Wellenlänge der Elektronen ist somit klein gegenüber dem typischen Strahldurchmesser im Breich von einigen nm bis µm. Wie man sich anhand der Auflösungen der von uns aufgenommenen Bilder klar macht, ist das weit unter der von unserem Mikroskop erreichten Auflösung. Die Aperturblende soll Elektronen, die vom Strahlenverlauf abweichen, abblenden, damit diese das Bild nicht stören. Die Elektronen dringen in die Probe ein; das Wechselwirkungsgebiet hat dabei die Form einer Birne. Dabei kommt es zu einer Reihe von Wechselwirkungen: Elektronen in der Probe werden herausgeschlagen, teilweise werden auch Augerelektronen emittiert. Durch den Kanteneffekt werden Erhöhungen und Vertiefungen sichtbar (siehe Abb. 1.4.0.4). Die Sekundärelektronen haben Energien von einigen ev, so daß sie abgesaugt werden können, ohne den Primärstrahl zu stören. Im Faradayschen Käfig werden sie auf mehrere kev beschleunigt, so daß sie im Szintillator Lichtblitze erzeugen, die wiederrum von einem Photomultiplier nachgewiesen werden. Auf diese Weise erscheint ein Signal auf dem Bildschirm. Das Bild entsteht im übrigen durch eine Rasterung wie 4

beim Fernseher, allerdings ist hier sowohl die Rasterung als auch die Zeit zur Bilderzeugung variabel. Das Bild wird durch Nachleuchten erzeugt ähnlich wie bei einem Radarschirm. 1.4.1 Zur Kathode In unserem Versuch wird als Kathode eine Wolfram-Haarnadel eingesetzt. Daneben gibt es auch noch die Lanthanhexaborid-Kristallelektrode und die Feldemissions-Elektronenkanone. Die schematische Zeichnung für unsere Elektronenquelle ist in Abb. 1.4.1.1 zu finden. Zwischen den beiden Anschlüssen des Fadens liegt ein kleiner Spannungsunterschied; der Strom heizt den Draht auf, so daß er von einer Elektronenwolke umgeben ist; infolge des großen Spannungsunterschiedes zwischen Kathode und Anode werden die Elektronen abgesaugt. Einige treffen auf die Anode und tragen nicht zum Bild bei. Der Wehnelt-Zylinder wirkt auf die Elektronen abstoßend; er ist so geformt, daß der Strahl fokussiert wird. Abbildung 1.4.0.4: Austritt von Sekundärelektronen, Kanteneffekte und Bilderzeugung [1] Abbildung 1.4.1.1: Schematische Darstellung einer typischen Elektronenkanonenkammer [1] 5

2 Versuchsergebnisse 2.1 Eichung Wir haben eine Reihe von Proben untersucht und Bilder aufgenommen, die man weiter unten findet. Zuerst bekamen wir Golddrähte, die man mit bloßem Auge gerade noch sehen konnte. Bei den Golddrähten hatten wir zwei Bilder aufgenommen; wir hatten Probleme mit der Strahlfokussierung, weswegen wir keine richtige Eichung vornehmen konnten. Stattdessen basieren alle Maßstäbe auf der bekannten Dicke der Euromünze von 2,33mm, die in einem späteren Versuchsteil untersucht wurde. 2.2 EDX Abbildung 2.2.0.2: Querschnitt einer 1-Euro-Münze Als nächstes hatten wir den Querschnitt einer Euromünze untersucht. Dabei hatten wir in dem Zusammenhang eine Röntgenstrukturanalyse gemacht. Die Röntgenstrahlen entstehen zum einen durch Bremsstrahlung, was einen kontinuierlichen Hintergrund ergibt. Die Peaks entstehen durch K- und L-Übergänge in der Münze. Auf dem Bild sieht man auch die Zuordnung zu den einzelnen Elementen. Die L-Linien der vorhandenen Elemente überlappen und lassen sich daher nicht trennen. 6

Linie Messung [kev] Theorie [kev] Ni K α 7,48 7,46-7,48 Ni K β 8,28 8,27 Cu K α 8,05 8,05 Cu K β 8,91 8,91 Zn K α 8,64 8,64 Zn K β 9,63 9,57-9,66 Au L α 9,71 9,71 Au L β 11,52 11,44-11,58 Au M α,β 2,19 2,12-2,20 Si K α,β 1,70 1,74 Mit Hilfe des Semiquantprogrammes wurden die Spektren angepaßt und es ergab sich folgende Zusammensetzung für die einzelnen Münzteile: Man erwartet: Ni Cu Zn Interpretation Plattierung 26,1 73,9 0,0 Kupfer-Nickel Kern 99,1 0,9 0,0 Nickel Ring 6,1 74,2 19,7 Nickel-Messing Ni Cu Zn Plattierung 25 75 0 Kern 100 0 0 Ring 5 75 20 Das Ergebnis der Messung stimmt im Rahmen der Messgenauigkeit mit den Erwartungen überein. 7

Röntgenanalyse Au-Lβ Si-Kα,β Zn-Kβ Au-Lα Ni,Cu,Zn-Lα,β Au-Mα,β Ni-Kβ Zn-Kα Cu-Kβ Cu-Kα Ni-Kα 10000 1000 100 10 0 2 4 6 8 10 12 Energie [kev] Plattierung Kern Ring Intensität [Cts/Ch]

2.3 Diverse Proben Am 2. Tag hatten wr eigene Proben mitgenommen und untersucht. Zunächst mußten sie getrocknet werden,weil die Feuchtigkeit zu sehr das Mikroskop stören würde; dann wurden sie mit einer Goldschicht überzogen. Da Gold leitend ist, wird dadurch ein Aufladen der Probe verhindert. 2.3.1 Cornflake Als erste hatten wir ein Stück Cornflake beobachtet. Wir sehen Stärkestrukturen. Es sieht aus wie ein Asteroid. Abbildung 2.3.1.1: Bei geringer Vergrößerung wirkt die Maisflocke wie ein Asteroid. Man erkennt eine grobe Struktur. 9

Abbildung 2.3.1.2: Die Maisflocke erweist sich als reich an Strukturen wie Gräben und Rissen. Hier sieht man den Blick in einen solchen Graben. Abbildung 2.3.1.3: Die Wände der Gräben sind ihrerseits mit felsartigen Stukturen bedeckt. 10

Abbildung 2.3.1.4: Die Felsen stellen sich schließlich als Stärkekörnchen heraus. 11

2.3.2 CD Das nächste war ein Stück einer in einer Mikrowelle gegarten CD. Die Mikrowellen heizen die metallische Reflektorschicht stark auf, so daß diese aufschmelzen. Auch die Schutzschicht schmilzt und löst sich vom Trägermaterial. Es entstehen Canyons, von denen man einen auf der Abbildung sieht. Man kann unter anderem auch unter der Schutzschicht die Rillen erkennen, auf denen bei einer intakten CD sich die Daten befinden. Abbildung 2.3.2.1: Durch die Mikrowellen heizt sich die metallische Reflektorschicht stark auf und schmilzt. Auch die Schutzschicht schmilzt und die einzelnen Schichten lösen sich vom Trägermaterial. 12

Abbildung 2.3.2.2: An einigen Stellen schmilzt die Schutzschicht und reißt. Dabei bilden sich Canyons, an deren Rand der erstarrte Kunststoff Falten schlägt. Abbildung 2.3.2.3: Unter der fehlenden Schutzschicht sieht man die Datenspuren der CD, deren Abstand 1, 6µm beträgt. 13

Abbildung 2.3.2.4: An einer anderen Stelle findet man einen muschelartigen Bruch des Kunststoffträgers. Abbildung 2.3.2.5: Eine nähere Untersuchung der Bruchkante lässt verschiedene Schichten erkennen. 14

2.3.3 Papier Das nächste war Kartonpapier. Bei näherer Betrachtung sieht man die einzelnen Papierfasern, die auch unterschiedlich dick sind. Man wird wohl kaum darauf richtig schreiben können. Abbildung 2.3.3.1: An einer Risskante sieht man deutlich die abstehenden Papierfasern, die in der Mitte des Papierstücks glatt anliegen. 15

Abbildung 2.3.3.2: Die einzelnen Fasern erweisen sich als ungeordnet und stark miteinander verwoben. Abbildung 2.3.3.3: Bei näherer Betrachtung erkennt man die ungleichmäßige Dicke der Fasern und ihre Struktur. 16

2.3.4 Rosenblütenblatt Als besonders interessant ein Rosenblütenblatt. Abbildung 2.3.4.1: Schrittweise Vergrößerung eines Rosenblütenblattes. 17

2.3.5 Blumenerde Bei der Blumenerde sieht man die Wurzelnfasern, dazwischen einzelne Humusreste. Auf den Wurzeln kann man auch bei den größten Aufnahmen auch Zellstrukturen erkennen. Abbildung 2.3.5.1: Die Blumenerde enthält eine überwiegende pflanzliche Komponente sowie einige Sandkörner. 18

Abbildung 2.3.5.2: Hier befinden sich einige Sandkörner zwischen pflanzlichen Strukturen. Abbildung 2.3.5.3: Bei näherer Betrachtung stellen sich die Sandkörner als komplexe Aggregate heraus. Im Vordergrund befindet sich eine Wurzel. 19

Abbildung 2.3.5.4: Die Wurzel zeigt eine große strukturelle Vielfalt. 20

2.3.6 Hefe Für die Präparation dieser Probe wurde der Inhalt einer Medikamentenkapsel auf dem Träger verteilt. Die Kapsel enthielt ein Hefepräparat. Abbildung 2.3.6.1: Grob betrachtet sehen die einzelnen Körner aus wie Felsen in einer Marslandschaft. 21

Abbildung 2.3.6.2: Dieses etwas größere Korn ist von mehreren kleinen bedeckt. Abbildung 2.3.6.3: Die Kanten der Körner sind nicht glatt, sondern weisen eine wellige Struktur auf. 22

2.3.7 Barthaare Bei der letzten Probe handelt es sich um eine paar Barthaare mit Wurzel. Dies erforderte ein gewisses Opfer des Experimentators. Abbildung 2.3.7.1: An diesem Barthaar erkennt man links die Haarwurzel. 23

Abbildung 2.3.7.2: Man erkennt die Wachstumsrichtung an der Überlappung der Keratinschuppen. Abbildung 2.3.7.3: Das Haar im Detail: Die Keratinschuppen sind deutlich zu erkenne. 24

Literatur [1] Flegler, Heckmann, Klomparens: Elektronenmikroskopie, Spektrum Akademischer Verlag 1995 25