Universitäre Service-Einrichtung für Transmissionselektronenmikroskopie
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Elektronenmikroskope sind Geräte, bei denen beschleunigte Elektronen unter Vakuum zur Erzeugung vergrößerter Bilder verwendet werden. Man kann grob zwischen zwei Typen unterscheiden.

Transmissionselektronenmikroskop (TEM)

Elektronen durchdringen eine sehr dünne Probe und erzeugen unter der Probe ein vergrößertes Bild vom durchstrahlten Probenvolumen.

Rasterelektronenmikroskop (SEM, Scanning electron microscope)

Aus der Probenoberfläche austretende Elektronen werden zur Bilderzeugung verwendet, man erhält Information über die Probenoberfläche.

Moderne Elektronenmikroskope dienen nicht nur der Abbildung von kleinsten Objekten. Ausgestattet z.B. mit Röntgendetektoren oder Energiefiltern im TEM liefern sie auch elementspezifische Informationen. Damit kann man chemische Mikroanalyse betreiben. Die Nachweisgrenze für Spurenelemente liegt bei < 10 Atomen, die auf < 1 nm lokalisiert werden können.

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

TECNAI F20 S-Twin bei USTEM, TU Wien. Die Punktauflösung beträgt 0.24 nm und bietet eine breite Palette von Abbildungs- und Analysemöglichkeiten.

Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts konnte der Physiker Ernst Mach noch die Vorstellung Boltzmanns, dass alle Materie aus Atomen aufgebaut sei, mit dem Sager " Habens schon eins gesehen? " entkräften.

Heute genügt ein Blick in ein Transmissionselektronenmikroskop, um Mach die gebührende Antwort zu geben. Moderne TEM wie das TECNAI F20, das bei USTEM zum Einsatz kommt, ermöglichen Abbildung, Beugung und chemische Analyse mit atomarer Auflösung in einem Gerät.

Keine "big science", keine kilometerlangen Beschleuniger, Abschirmungen und dergleichen, lediglich ein klimatisierter Raum mit schweren Vorhängen, gedämpfter Beleuchtung und einer flüsternden, benutzerfreundlichen Maschine, welche die Befehle des Operators erwartet.

Das erste Transmissionelektronenmikroskop wurde 1931 in Berlin von Ernst Ruska bei Siemens gebaut. Es zeigte schon halb so große Details wie die besten Lichtmikroskope zu seiner Zeit. Ruska wurde dafür 1986 mit dem Nobelpreis gewürdigt.

Ein Transmissionselektronenmikroskop funktioniert wie ein Diaprojektor bestehend aus Glühlampe, Dia und Schirm. 

Diaprojektor

Transmissionselektronenmikroskop

Glühlampe
Als Elektronenquelle dient eine glühende Wolframspitze, bei modernen TEMs ein heisser LaB6-Einkristall oder eine Feldemissionsspitze. Elektronen werden wie in einer TV Röhre beschleunigt und erreichen dabei Geschwindigkeiten bis zu 70% der Lichtgeschwindigkeit.
Dia
Im TEM ist das Objekt eine dünne Probe mit einer Stärke von einigen hundert Atomlagen (weniger als 300 nm).
Glaslinsen als optisches System
Anstelle der Glaslinsen werden im TEM magnetische Linsen verwendet, spezielle SEMs verwenden auch elektrostatische Linsen.
Leinwand
Ein Leuchtschirm, fotografische Negative, CCD Kameras oder Bildplatten (Image plates) ersetzen die Projektionswand.

Warum ist eine so hohe Geschwindigkeit der Elektronen erforderlich?

Neben der Notwendigkeit, die Probe zu durchdringen, gibt es einen zweiten Grund: die Wellennatur der Elektronen. 
Das Auflösungsvermögen eines Lichtmikroskopes ist durch die Wellenlänge des verwendeten Lichtes begrenzt und liegt bei etwa 200 nm. Im Jahre 1924 stellte Louis de Broglie die Theorie auf, dass Elektronen Welleneigenschaften ähnlich dem Licht haben müssen. Die hohe Geschwindigkeit und die Masse der Elektronen führen nach den Gesetzen der Quantentheorie zu sehr kleinen Wellenlängen (etwa 10-12 m) und ermöglichen damit sehr hohe Auflösungen.

In dem halben Jahrhundert zwischen Erfindung und Nobelpreisverleihung ist das Auflösungsvermögen der TEMs um den Faktor 1000 verbessert worden.  Das erscheint gering verglichen mit der rasanten Entwicklung bei Mikroprozessoren, bedeutet aber dennoch, dass moderne Geräte einen Abstand von ein Zehnmillionstel mm auflösen können.  Das ist weniger als der Abstand der Atome in Kristallen.

Typisches Elektronenbeugungsbild einer feinkristallinen Probe.

Ein Vorzug der heutigen TEMs ist, dass man auf Knopfdruck anstelle der Probe das zugehörige Beugungsbild abbilden kann. Aus Beugungsbildern wird, wie in der Röntgendiffraktometrie, die Kristallstruktur und die Elektronendichte (Pattersonfunktion) bestimmt.  Ebenso können Kristallbaufehler (Versetzungen, Stapelfehler) mittels Elektronenbeugung untersucht werden.

Nebenstehend werden zwei übereinandergelegte Bilder gezeigt um das Auflösungsvermögen moderner Transmissionelektronmikroskope zu demonstrieren:

eine GaAs/InGaAs Grenzfläche mit atomarer Auflösung (~ 4.600.000-fach), die mit einem FEI TECNAI F20 TEM abgebildet wurde, sowie überlagert eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung einer Hausstaubmilbe.
Eine Hausstaubmilbe ist mit freiem Auge kaum sichtbar. Würde die Milbe mit derselben Vergrößerung wie die Grenzfläche abgebildet werden, wäre sie rund 100 m groß.

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Rasterelektronenmikroskopie (SEM)

Rasterelektronenmikroskop

Rasterelektronenmikroskopie funktioniert ähnlich wie TEM. Auch hier werden Elektronen beschleunigt und über magnetische Linsen auf einen sehr kleinen Bereich auf der Probe fokussiert.

Im Gegensatz zu TEM werden jedoch hier zur Bildentstehung entweder Sekundärelektronen (SE) oder rückgestreute Elektronen (BSE) verwendet, welche beim Rastern des Elektronenstrahls über die Probe aus der Oberfläche emittiert werden.

Die einfallenden Elektronen müssen die Probe nicht durchdringen, um Abbildungen zu erzeugen, daher können damit auch größere Werkstücke untersucht werden. Eine aufwendige Präparation dünner Proben wie bei TEM ist somit für rasterelektronenmikroskopische Proben nicht erforderlich.

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