09_SEM6_Scanning_Electron_Microscope_

Report
SEM (scanning electron
microscope)
RASTERELEKTRONENMIKROSKOP
Sergej Fust
Gliederung
 Einführung
 Aufbau und Funktionsweise
 Signalverarbeitung
 Zusammenfassung
 Ausblick
Einführung
ANWENDUNG
AUFLÖSUNGSVERMÖGEN
GESCHICHTE
Anwendungen
Oberflächenstrukturanalyse massiver Proben
 Materialforschung
 Biologisch-medizinische Fragestellungen
 Schadensanalyse
 Kriminalistik
 Qualitätskontrolle
Auflösungsvermögen
Lichtmikroskop:
 λ ≈ 0,4 - 0,7 μm
 d ≈ 0,3 μm
 praktisch etwa 1 μm
 für große Auflösung:
große
Linsendurchmesser,
kleiner Abstand zum
Objekt
SEM:
 De Broglie Wellenlänge
λ=h/p
 λ ≈ 0,03 nm für 1 kV
 d < 1 nm, trotz kleinem
Aperturdurchmesser und
großem Arbeitsabstand
(ca. 10 mm)
Auflösungsvermögen
Geschichte
 1925 Magnetfeld als Elektronenlinse (Hans Busch)
Elektromagnetische Linse
Wirkungsweise einer el.-magn. Linse
Geschichte
 1925 Magnetfeld als Elektronenlinse (Hans Busch)
 1931 Erstes Elektronenmikroskop (Ernst Ruska)
 1937 Rasterelektronenmikroskop (Manfred von
Ardenne)
 1965 Erstes kommerzielles
Rasterelektronenmikroskop
Das erste
Rasterelektronen
mikroskop von
M. von Ardenne
Aufbau und
Funktionsweise
AUFBAU
STRAHLERZEUGUNG
PROBENPRÄPARATION
Aufbau
Modernes
Rasterelektronenmikroskop
Aufbau
 Elektronenquelle
 Anode
 Magnetische Linsen




(Kondensoren)
Ablenkspulen
Objektivlinse
Probe
Detektoren
Strahlerzeugung
 Kathode: Wolfram




Schem. Aufbau einer Elektronenkanone
oder LaB6
Glüh-oder
Feldemission
Fokkusierung durch
Wehnelt-Zylinder
Anodenspannung: 1-30
keV
Cross-over = kleinster
Strahldurchmesser
(wichtig für zu
erreichende Auflösung)
Probenpräparation
 Hochvakuumbeständig
 Wasserfrei
 Leitend (Beschichtung aus
Gold oder Kohlenstoff)
Mit Gold bedampfte Spinne für eine
SEM Aufnahme
Signalverarbeitung
SIGNALARTEN
SIGNALVERARBEITUNG
DETEKTOREN
Signalarten
 Sekundärelektronen
 Rückgestreute
Elektronen
 Augerelektronen
 Röntgenstrahlung
 Absorbierte Elektronen
Signalarten
Signalverarbeitung
SE
 Meistgenutzte




Informationsquelle
Energie: einige wenige eV
Aus den obersten
Nanometern der
Oberfläche
Topographie
Kontrast durch
Flächenneigung und
Kantenkontrast
Signalverarbeitung
Kanteneffekt anhand einer mit einem SEM aufgenommene Spinne
Signalverarbeitung
SE
BSE
 Meistgenutzte
 Energie: einige keV




Informationsquelle
Energie: einige wenige eV
Aus den obersten
Nanometern der
Oberfläche
Topographie
Kontrast durch
Flächenneigung und
Kantenkontrast
 Intensität von
Ordnungszahl des
Materials abhängig
 schwere Elemente = helle
Bereiche
 Rückschlüsse auf chem.
Natur bzw. Verteilung
der versch. Materialien
Signalverarbeitung
BSE
SE
BSE
SE
Vergl. zw. Rückstreu- und Sekundärelektronenaufnahmen
Signalverarbeitung
Aufnahmen von
zwei versch.
Elementen mit
Sekundär- und
Rückgestreuten
Elektronen (oben:
Silizium und
Titan, unten: Eisen
und Kohlenstoff)
SE
BSE
Detektoren
Se
 Everhart-Thornley
 Rauscharm, große
Bandbreite
 Bestandteile:
Szintillator, FaradayKäfig, Photomultiplier
BSE
 E-T mit
ausgeschaltetem
Faraday-Käfig
 Donut-förmig über der
Probe angeordnet
 Szintillator oder
Halbleiter
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Vorteile:
 Größere Auflösung als
ein Lichtmikroskop
 Keine Zerstörung der
Probe wie beim TEM
 Sehr gute Schärfentiefe
 Keine Spiegelnde
Oberflächen wie beim
Lichtmikroskop
Bild eines Schwimmschneekristalls mit Licht- bzw. Rasterelektronenmikroskopie
Zusammenfassung
Vorteile:
 Größere Auflösung als
ein Lichtmikroskop
 Keine Zerstörung der
Probe wie beim TEM
 Sehr gute Schärfentiefe
 Keine Spiegelnde
Oberflächen wie beim
Lichtmikroskop
Nachteile:
 Kleinere Auflösung als
ein TEM
 Umständliche
Vorbehandlung
 Farbinformation geht
verloren
 Schädigung der Objekte
durch den
Elektronenstrahl
 Keine lebende Objekte
Weiterentwicklung
ESEM
Environmental scanning
electron microscope (ESEM)
 Geringeres Vakuum, höherer Druck (130-1300 Pa )
 Angepasste Detektoren
 Gas (Wasserdampf, Stickstoff, Luft) statt
Hochvakuum
 Sekundärelektronen auf dem Weg zum Detektor
beschleunigt (Verstärkungskaskade)
ESEM
Vorteile:
 Nicht vakuumstabile
oder ausgasende
Proben
 Luftfeuchtigkeit
einstellbar
 Bedampfung entfällt
Nachteile:
 Kleine Vergrößerungen
kaum realisierbar
 Flüssigkeiten sind
undurchsichtig
 Rastergeschwindigkeit
länger
Das erste ESEM
Aufnahme eines Käfers mit einem ESEM
Quellen:
 http://de.wikipedia.org/wiki/Rasterelektronenmikroskop
 McMullan, D. (2006). Scanning electron microscopy 1928-
1965
 http://www.uniulm.de/elektronenmikroskopie/REMHerbst2001.html
 Rasterelektronenmikroskopie; L. Reimer, G. Pfefferkorn;
Springer Verlag (1977)
 The scanning electron microscope; Oatley, Charles W

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