Labor für REM - Analysen
(Rasterelektronenmikroskopie)

Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) ist eine Technik zur hochauflösenden Abbildung von unterschiedlichsten Proben. Die enorme Auflösung und Tiefenschärfe erlaubt, zusammen mit einer geeigneten Probenpräparation, sehr detaillierte Einblicke in die Morphologie von Oberflächen, die Struktur von Werkstoffen oder auch die Formen biologischer Präparate.

Funktionsprinzip

Bei einem Rasterelektronenmikroskop (REM) wird eine Oberfläche mit Hilfe eines feinen Elektronenstrahls abgetastet. Der Elektronenstrahl wird dazu über die Oberfläche gerastert. Die Wechselwirkung dieses Strahls mit der Oberfläche wird dazu genutzt um ein Bild der Oberfläche zu erzeugen.

Typische REM-Bilder sind Abbildungen von Objektoberflächen. Sie weisen eine hohe Tiefenschärfe auf. Eine rasternde Abbildung lässt sich jedoch auch in Transmission durchführen, hierfür sind entsprechend ausgerüstete Raster-Transmissionsmikroskope erforderlich (engl. STEM).

Signalarten

Die Wechselwirkungn der sogenannten Primärelektronen mit der Oberfläche sind vielfältig. Neben Sekundärelektronen und rückgestreuten Elektronen entsteht auch Röntgenstrahlung. Diese wird für die sogenannte EDX-Analyse verwendet um auch chemische Informationen aus dem Analysevolumen zu erhalten. Darüber hinaus entstehen Auger-Elektronen sowie Kathodolumineszenz. Diese Signale können in bestimmten Fällen ebenfalls für Analysen genutzt werden.

Die bekannten, typischen REM-Bilder sind in der Regel Bilder, bei denen die entstehenden Sekundärelektronen (SE) genutzt werden. Als Sekundärelektronen werden die Elektronen bezeichnet, welche eine kinetische Energie von nur einigen Elektronenvolt (bis ca. 50 eV) besitzen. Als Detektor für diese Elektronen kommt typischerweise ein Everhart-Thornley-Detektor (sitz meist in der Kammer) oder ein sogenannter Inlense-Detekor (sitzt in der Säule) zum Einsatz.

Aufgrund der niedrigen Energie der Elektronen, stammen diese vor allem aus den obersten Nanometern der Oberfläche und bilden somit vor allem die Topografie der Probe ab. Sekundärelektronen aus tieferen Schichten können die Oberfläche nicht erreichen und werden somit auch nicht nachgewiesen. Die dabei erreichbare laterale Auflösung hängt vor allem vom Strahldurchmessern des Primärelektronenstrahls ab und liegt - je nach Gerät - im Bereich um 1 nm (Feldemissionsgeräte) oder auch einigen 10 nm (einfachere Geräte).

Der Bildkontrast ist deutlich komplexer als bei einem Lichtmikroskop. Flächen, die zum Detektor geneigt sind, erscheinen heller als Flächen, die vom Detektor abgewandt sind (Flächenneigungskontrast). Daneben gibt es weitere Kontrastmechanismen beispielsweise durch Kanten- oder Abschattungseffekte. Allgemein entsteht der Eindruck, als würde man das Objekt von oben betrachten, während es aus der Richtung des Detektors beleuchtet wird.

Die Ausbeute der Sekundärelektronen ist materialabhängig und korreliert im Wesentlichen mit der Ordnungszahl / Masse der Atome des Materials. Prinzipiell erscheinen schwere Materialien dadurch in den Bildern normalerweise heller als leichte.

Rückstreuelektronenkontrast

Ein anderes häufig genutztes Signal, sind die zurückgestreuten Elektronen (engl. backscattered electrons = BSE). Diese von der Probenoberfläche zurückgestreuten Primärelektronen haben eine typische Energie von einigen keV. Die Intensität des Rückstreuelektronensignales ist in erster Linie von der mittleren Ordnungszahl des Materials im vom Strahl getroffenen Volumen abhängig. Schwerere Elemente erzeugen eine stärkere Rückstreuung als leichtere. Diese Bereiche erscheinen dementsprechend in den Bildern heller, als die Bereiche leichterer Elemente. Diese erscheinen dunkel.

Das BSE-Bild wird daher auch oft als Materialkontrastbild bezeichnet und ermöglichst so Rückschlüsse auf die laterale Verteilung von verschiedenen Materialien bzw. Elementen auf der untersuchten Probe.

Bei der Interpretation von BSE-Bildern ist darüber hinaus zu beachten, dass auch die Topographie der Probenoberfläche (Neigung, Abschattungen, Aufladungen etc.) eine Auswirkung auf den im Bild sichtbaren Kontrast haben können. Materialinhomogenitäten können so vorgetäuscht werden. Die Interpretation der Bilder erfordert daher Erfahrung mit der Technik.

Röntgenmikrobereichsanalyse (EDX, ESMA)

Die Röntgenmikrobereichsanalytik erlaub parallel zur Rasterelektronenmikroskopie die Messung der quantitativen Elementzusammensetzung kleinster Probenvolumina. Weitere Informationen finden Sie in unserem Artikel "Röntgenmikrobereichsanalyse (EDX, ESMA)".

Die Probe muss vakuumstabil sein, da die Untersuchung im Hochvakuum bzw. in einem leichten Vakuum stattfindet.

Ein gewisses Problem können Aufladungseffekte bei der Untersuchung von Isolatoren darstellen. Um diese Effekte zu vermeiden, kann man isolierende Materialien mit einer sehr dünnen Edelmetallschicht versehen (z. B. besputtern mit Gold, Silber, Platin) oder mit Kohlenstoff (Graphit) bedampfen.

Eine Alternative ist das Benutzen von Beschleunigungsspannungen, bei denen Stromgleichgewicht herrscht (eingestrahlter Elektronenstrom = abgestrahlter Elektronenstrom). Die Werte dafür liegen in der Regel unter 3 kV und müssen für jede Probe individuell gefunden werden. Dies wird auch als low-voltage Abbildung von Proben bezeichnet.

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