Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
D. Gerthsen (LEM, KIT)
Laboratorium für Elektronenmikroskopie, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
www.lem.kit.edu
Mit Elektronenmikroskopie die Nanowelt erkunden
Dagmar Gerthsen
D. Gerthsen (LEM, KIT) 2
Größe von Objekten- Kleine Insekten < 1 mm- Biologische Zellen < 20 µm- Bakterien < 1 µm- Zellmembranen » 10 nm- Atome » 0,1 nm
Auflösung - Auge ~ 0,1 mm- Konventionelle Lichtmikroskopie ~ 0,2 µm- „Superresolution“ Lichtmikroskopie ~ 20 nm- Rasterelektronenmikroskop ~ 1,0 nm- Transmissionselektronenmikroskop ~ 0,05 nm
Abbe‘sche Gleichung für minimalen Abstand getrennt auflösbarer benachbarter Bildpunkte
l»αnλ=d
sin 0.61
λ: Wellenlängen: Bechungsindexa: Aperturwinkel der Linse
Wellenlängen λ:- grünes Licht ~ 500 nm- Ultraviolett (UV) < 250 nm- Röntgenstrahlung < 0,1 nm- Elektronen (20 keV) ~ 10 pm- Elektronen (200 keV) ~ 2,5 pm
Auflösung in der Mikroskopie
D. Gerthsen (LEM, KIT)
Licht- und Materiewellen
Impuls und kinetische Energie eines im Vakuum mit der Spannung U beschleunigten Elektrons
mpeU2
2= eUmp 2=
eUmh
2=l
m, e: Elektronenmasse, Elektronenladungp: Impulsl: WellenlängeU. Beschleunigungsspannungh: Planck´sche Konstante 1.05x10-34 Nms (6.5x10-16 eVs)
Basis der Verbesserung des Auflösungsvermögens: Welle-Teilchen Dualismus (de Bro 1924)
3
lhp =
r
Wellenlänge in pm (10-12 m) Elektronenenergie in keV
38,8 1
12,2 10
8,6 20
7,0 30
3,7 100
2,5 200
Rasterelektronen-mikroskopie
Transmissionselektronen-mikroskopie
D. Gerthsen (LEM, KIT)
Nobelpreis für Physik 1986
4
Transmissionselektronenmikroskop 1933 (Nachbau)
Ernst Ruska
D. Gerthsen (LEM, KIT) 5
Rasterelektronenmikroskopie (REM)
J. Hawecker
Kieselalge
Zecke Oberflächentopographiekleiner Objekte
D. Gerthsen (LEM, KIT)
Das Rasterelektronenmikroskop
Image Process.
• Typische Elektronenenergien wählbar zwischen 1 – 30 keV
• Elektronenlinsen: magnetischeFelder
• Erzeugung eines gebündelten Elektronen-strahls auf der Probenoberfläche
• Probenoberfläche wird „abgerastert“ (Rastergenerator, Ablenkspulen)
• Wechselwirkung zwischen Probe und Strahlelektronen
Emission von Elektronenaus der Probe
• Detektion der emittierten Elektronen(Detektor, Verstärker) Ladung
• zur Abrasterung der Probenoberflächesynchrone Darstellung der Ladung auf einem Bildschirm
Kein abbildendes Linsensystem
6
D. Gerthsen (LEM, KIT)
Rasterelektronenmikroskopie
Kosten:100 000 bis 800 000 €
D. Gerthsen (LEM, KIT) 8
Magnetische Elektronenlinsen
Elektron mit Geschwindigkeit vim Magnetfeld B:
• Bewegung der Elektronen auf Spiralbahnen• Elektronenlinsen haben schlechte optische Eigenschaften: starke Öffnungsfehler,
Farbfehler, …. Begrenzung des Auflösungsvermögens auf bestenfalls 0,05·10-9 m trotz kleiner Wellenlänge im Bereich von Pikometern (10-12 m)
• Im Rasterelektronenmikroskop: Fokussierung des Elektronenstrahls auf Durchmesservon bestenfalls 0,3 nm
Lorenzkraft
( )BeF v ´-= rr
D. Gerthsen (LEM, KIT) 9
Bilderzeugung und Vergrößerung
lLV =Vergrößerung
MonitorProbe
L l
• Elektronenstrahl rastert Pixel-für-Pixel über die Probenoberfläche• Einsammeln von Elektronen (Detektor), die von der Probe emittiert werden,
über Verweildauer des Strahls auf dem Pixel Q(i,j) • Lokale Bildintensität I(i,j) durch Ladung Q(i,j)
kleine Ladung dunkles Pixelhohe Ladung helles Pixel
Ladung Q(i,j)I(Intensität I(i,j)
D. Gerthsen (LEM, KIT) 10
Probenpräparation für REM
Anforderungen
1. Elektrisch leitende Probenoberfläche
Aufbringen (Sputtern, Aufdampfen) einer dünnen C- oder Pt-Schicht bei elektrisch
isolierenden Proben
2. Trockene Proben, da Hochvakuum in der Mikroskopkammer
Biologische Objekte müssen getrocknet werden ohne Veränderung
der Objektstruktur
komplexe Prozedur
D. Gerthsen (LEM, KIT) 11
Bilderzeugung
D. Gerthsen (LEM, KIT) 12
Hohe Schärfentiefe
P. Pfundstein(Laboratorium für Elektronenmikroskopie)
Kleiner Öffnungswinkel des Elektronenstrahls
D. Gerthsen (LEM, KIT) 13
Goodhews, Humphreys, Beanland, „Electron Microscopy and Analysis“, Fig. 5.7a
Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen
• Primärelektronen werden in der Probe gestreut: Streuprozesse mit Atomkernen und Elektronen der Probe
Sekundärelektronen (SE) mit geringer kinetischer Energie E< 50 eVRückstreuelektronen (RE) mit höherer kinetischen Energie 50 eV £ E £ E0
• Emission von SE nur, wenn SE in der Nähe der Probenoberfläche entstehen
Primärelektronenenergie E0 (typisch 10 keV)
Primärelektronenstrahl
Probenoberfläche
„Absorbierte“ SE
RE
Emittierte SERE
RE
D. Gerthsen (LEM, KIT) 14
Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen
Maximale Austrittstiefe RE~ 0.3 maximale Eindringtiefe
Maximale Austrittstiefe SE~ 1 - 10 nm
Primärelektronenstrahl • Wechselwirkungsvolumen: Einhüllendes Volumen der Elektronenbahnen
• Eindringtiefen zwischen 100 nmund mehreren mm abhängig von- Dichte, mittlere Ordnungszahl
des Probenmaterials- Primärelektronenenergie E0
• Hochauflösende REM nur mit Sekundärelektronen, die nahe der Oberfläche erzeugt werden
• Chemische Analyse durch Analyse der charakteristischen Röntgenstrahlung, die von den Elektronen erzeugt wird
Probenoberfläche
Maximale Eindringtiefeder Primärelektronen
Röntgen-strahlung
D. Gerthsen (LEM, KIT) 15
Kontrast bestimmt durch - räumliche Anordnung des Detektors in Relation zum Objekt- lokale Neigung der Probenoberfläche zur Richtung des Primärelektronenstrahls
Topographiekontrast
Abbildung mit Sekundärelektronen
1 mm
Volker Zibat (LEM)
Detektor
+Vbias
SERE
Primärelektronen
D. Gerthsen (LEM, KIT) 16
Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen
Probenoberfläche
Anzahl der Rückstreu- und Sekundärelektronen nimmt zu mit zunehmender Neigung der Probenoberfläche in Relation zum Primärelektronenstrahl
höhere Bildhelligkeit für stark geneigte Oberflächen
Primärelektronen
SE
RE
D. Gerthsen (LEM, KIT) 17
Kontrast bestimmt durch - lokale Neigung der Probenoberfläche zur Richtung des Primärelektronenstrahls- räumliche Anordnung des Detektors in Relation zum Objekt- Ordnungszahl des Probenmaterials
TopographiekontrastMaterialkontrast
Abbildung mit Rückstreuelektronen
1 mm
Detektor
-Vbias
SERE
Primärelektronen
D. Gerthsen (LEM, KIT) 18
1 mm 1 mmb)a)
HT-19 Darmkarzinomzellen nach Inkubation mit Pt-Nanoteilchen
Pt
Pt
Pt
SE Abbildung RE Abbildung
SE und RE Abbildung
P. Brenner, H. Blank (Laboratorium für Elektronenmikroskopie, KIT)
D. Gerthsen (LEM, KIT) 19
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
Philips CM200Auflösungsvermögen 0,24 nm
Oberer Teil der Mikroskopsäule desFEI Titan3 80-300
FEI Titan3 80-300 Auflösungsvermögen 0,07 nm
D. Gerthsen (LEM, KIT) 20
Ni2O Nanoteilchen
R. Popescu (LEM) C. Feldmann (Institut für Anorganische Chemie)
Oft keine intuitive Kontrastinterpretation!
Polykristalline SrTiO3 Keramik
Simon Kraschewski (LEM)
Transmissionselektronenmikroskopie
Maximale Probendicke 1 mmInformation über „Probenvolumen“
D. Gerthsen (LEM, KIT) 21
R. Schneider (LEM)
Platin Cluster und einzelne Platin Atome auf einem dünnen Kohlenstofffilm
Transmissionselektronenmikroskopie
D. Gerthsen (LEM, KIT) 22
Zusammenfassung
Rasterelektronenmikroskopie: Oberflächentopographie und Materialkontrast
• Bilderzeugung ohne abbildendes Linsensystem
• Intuitive Kontrastinterpretation
• Abbildung großer Objekte mit hoher Schärfentiefe
• Abbildung der Oberflächentopographie mit Sekundär-
elektronen mit Auflösung bis in den Bereich von 1 nm
• Materialkontrast bei der Abbildung mit Rückstreu-
elektronen
Transmissionselektronenmikroskopie: Volumeninformation über dünne Probe
• Häufig keine intuitive Kontrastinterpretation
D. Gerthsen (LEM, KIT) 23
Literatur
Rasterelektronenmikroskopie
John J. Bozzola, Lonnie D. Russel, Electron Microscopy, Johns and Bartlett Publishers 1998, (electron microscopy for biology and medicine)
Ludwig Reimer, Scanning Electron Microscopy, Springer Verlag, 1985, (Textbook on SEM for physicists)
Peter Fritz Schmidt, Praxis der Rasterelektronenmikroskopie und Mikrobereichsanalyse, Expert Verlag, 1994
P.J. Goodhews, F.J. Humphreys, R. Beanland, Electron Microscopy and Analysis, 3rd edition, Taylor and Francis 2000 (simple introduction to electron microscopy)
Graham Lawes, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Wiley 1987
Oliver Wells (Editor), Scanning Electron Microscopy, McGraw-Hill 1974
Joseph I. Goldstein, Harvey Yakowitz, Practical Scanning Electron Microscopy, Plenum Press 1975
Analytische Techniken
David B. Williams, C. Barry Carter, Transmission Electron Microscopy, Part IV Spectrometry, Plenum Press, 2nd edition 2009
M.H. Loretto, Electron Beam Analysis of Materials, Chapman and Hall, 1984
S.J.B. Reed, Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology, Cambridge University Press 1996