Elektronenmikroskopie von Materialien

Die Elektronenmikroskopie nutzt fokussierte Elektronenstrahlen, um die Mikrostruktur von Materialien weit unterhalb der Auflösung von Licht abzubilden und durch die von Elektronen erzeugten Signale die lokale Zusammensetzung und Kristallographie zu analysieren.

Definition

Die Elektronenmikroskopie von Materialien ist die Verwendung von Elektronenstrahlen zur Erzeugung vergrößerter Bilder der Mikrostruktur und zur räumlich aufgelösten Analyse von Zusammensetzung und Kristallstruktur, wobei die kurze Wellenlänge der Elektronen genutzt wird, um eine mit sichtbarem Licht unerreichbare Auflösung zu erzielen.

Scope

Dieses Thema behandelt die Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie von Materialien: Bildentstehung durch transmittierte und gestreute Elektronen, Beugungskontrast und hochauflösende Abbildung in Transmission, Oberflächenabbildung durch Sekundär- und Rückstreuelektronen in der Rastermikroskopie sowie die für die elementare Mikroanalyse verwendeten Röntgen- und Elektronensignale. Es behandelt die zugänglichen Längenskalen, die Probenpräparation und die Kombination von Abbildungs- und Analyseverfahren.

Core questions

• Wie erzeugen Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie Bilder?
• Warum erreichen Elektronen eine weitaus höhere Auflösung als Licht?
• Wie wird die lokale Zusammensetzung mittels Elektronenmikroskopie gemessen?
• Wie werden Abbildungs- und Analyseverfahren kombiniert, um die Mikrostruktur zu charakterisieren?

Key concepts

• Transmissionselektronenmikroskopie
• Rasterelektronenmikroskopie
• Beugungs- und Phasenkontrast
• Sekundär- und Rückstreuelektronen
• Energiedispersive Röntgenanalyse
• Elektronenenergieverlustspektroskopie

Key theories

Bildentstehung in der Elektronenmikroskopie

In der Transmissionsmikroskopie bilden Elektronen, die eine dünne Probe durchdringen, Bilder durch Beugungs- und Phasenkontrast, die Defekte und Atomsäulen sichtbar machen; in der Rastermikroskopie erzeugt ein über eine Oberfläche gerasterter fokussierter Strahl Sekundär- und Rückstreuelektronen, die Topographie und Zusammensetzung abbilden.

Mikroanalyse aus Strahl-Proben-Signalen

Der Elektronenstrahl regt charakteristische Röntgenstrahlen und Energieverlustsignale an, deren Energien die vorhandenen Elemente identifizieren, sodass ein Mikroskop die Zusammensetzung im gleichen feinen Maßstab wie seine Bilder abbilden und so Struktur und Chemie Punkt für Punkt verknüpfen kann.

Mechanisms

Beschleunigte Elektronen mit Wellenlängen, die weitaus kürzer sind als die von Licht, wechselwirken mit einer Probe durch elastische Streuung, die Beugung und Bildkontrast erzeugt, und durch unelastische Streuung, die Röntgenstrahlen und Energieverlustsignale generiert; das Sammeln dieser Signale erzeugt Bilder und Zusammensetzungskarten mit Nanometer- bis Atomauflösung.

Clinical relevance

Die Elektronenmikroskopie offenbart die Mikrostruktur – Körner, Phasen, Grenzflächen und Defekte –, die die Materialeigenschaften steuert, identifiziert die Zusammensetzung und Verteilung von Phasen und Verunreinigungen und diagnostiziert Verarbeitung und Versagen, was sie zu einem zentralen Werkzeug in der gesamten Materialchemie und -technik macht.

History

Ruska baute in den frühen 1930er Jahren das erste Transmissionselektronenmikroskop, das die Auflösung der Lichtmikroskopie übertraf, und von Ardenne entwickelte kurz darauf die Rasterelektronenmikroskopie. Jahrzehntelange Verbesserungen bei Linsen, Detektoren und Aberrationskorrektur haben seitdem die routinemäßige Abbildung mit atomarer Auflösung und die feinmaßstäbliche Mikroanalyse zur Materialcharakterisierung ermöglicht.

Key figures

• Ernst Ruska
• Manfred von Ardenne

Seminal works

• williams2009
• goldstein2018

Frequently asked questions

Warum können Elektronenmikroskope so viel kleinere Strukturen sehen als Lichtmikroskope?

Die Auflösung wird durch die Wellenlänge der Sonde begrenzt. Auf hohe Energie beschleunigte Elektronen haben Wellenlängen, die Tausende Male kürzer sind als die von sichtbarem Licht, sodass ein Elektronenmikroskop Merkmale bis in den Nanometer- oder sogar atomaren Bereich auflösen kann, was mit Licht nicht möglich ist.

Wie erkennt ein Elektronenmikroskop, welche Elemente vorhanden sind?

Wenn der Strahl auf die Probe trifft, schlägt er Elektronen aus inneren Schalen heraus, und die Atome emittieren Röntgenstrahlen mit für jedes Element charakteristischen Energien. Das Detektieren dieser Röntgenstrahlen, oft zusammen mit Elektronenenergieverlustsignalen, ermöglicht es dem Mikroskop, die Elemente im gleichen feinen Maßstab wie seine Bilder zu identifizieren und abzubilden.