Ein sehr fein gebündelter
Strahl energiereicher Elektronen (1 - 30 keV) wird rasterförmig
über die Probenoberfläche gelenkt. Diese Elektronen
treten mit den Hüllen- Elektronen der Atome in der Probe
in Wechselwirkung, wodurch viele unterschiedliche Prozesse
ausgelöst werden können. U.a. verursacht der Elektronenbeschuß
die Aussendung von niederenergetischen Sekundär- Elektronen,
deren Anzahl vor allem von der Oberflächengeometrie des
jeweiligen Emissionsortes bestimmt wird.
Die Sekundär-Elektronen werden mit einer Zugelektrode
abgesaugt und die Stärke dieses Sekundärelektronenstroms
als Signal zur Intensitätssteuerung des Elektronenstrahls
eines Bildschirmes herangezogen, dessen x-y- Führung
synchron zur Probenabrasterung läuft. Dadurch entsteht
eine Punkt-für-Punkt - Abbildung der Probenoberfläche
im Lichte der Sekundärelektronen.
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Die Ortsauflösung und
damit auch die maximale förderliche Vergrößerung
ist mehr als 10-mal so groß wie beim Lichtmikroskop
(d.h. 20 000-fache, geräte- abhängig bis 100 000-fache
Vergrößerung).Da die Abbildung ohne Linsen auskommt,
werden die damit verbundenen Unzulänglichkeiten (stark
eingeschränkter Tiefenschärfebereich und Verzeichnungsfehler)
vermieden. So entstehen sehr plastisch wirkende Bilder der
geometrischen Oberflächengestalt der Probe in nahezu
jeder gewünschten Vergrößerung mit fast unbegrenzter
Tiefenschärfe, die sowohl die Darstellung grober, schluchtenartiger
Strukturen als auch die Aufzeichnung feinster Details bis
in den Nanometerbereich erlaubt.
REM eignet sich zur Aufklärung und Darstellung der Oberflächengestalt
vom Millimeter- bis Nanometer- Strukturen, für die Suche
nach Strukturanomalien und Schadstellen in Oberflächen
wie Korrosionsinseln etc. Ferner dient es als idealer Such-
Monitor für EDX- Analysen.
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Energie-Dispersive- Röntgenstrahlung EDX
Die Probe wird mit einem sehr fein gebündelten
Strahl energiereicher Elektronen (15 - 25 keV) beschossen,
wie er z.B. in einem Raster-Elektronenmikroskop zur Abbildung
verwendet wird. Diese Elektronen dringen z.T tief in die Probe
ein und können mit den Hüllen- Elektronen von Atomen
in tieferen Lagen der Probe (bis einige Mikrometer) in Wechselwirkung
treten, wodurch viele unterschiedliche Prozesse ausgelöst
werden können.
U.A. lösen die Elektronen Röntgenstrahlung aus.
Dabei unterscheidet man die (hier nicht interessierende) Röntgen-
Bremsstrahlung und die Charakteristische Röntgenstrahlung.
Bei letzterer ist die Energie der Strahlung charakteristisch
für das Atom, aus dem das Röntgen- Quant emittiert
wurde. Separiert man die Röntgenstrahlen mit einem Energie-
Spektrometer (Vielkanal- Analysator) und mißt ihre Intensität
bei den jeweiligen Energien, so liefert jeweils die Strahlungsenergie
das Indiz für die Atomart und die Intensität ein
Maß für die Konzentration, mit der die Atomart
in der analysierten Probenschicht einige Mikrometer Dicke
vertreten ist.
Man erhält also:
Qualitativ: Art der Elemente und ortsaufgelöste Verteilung
in der Probe Quantitativ: Konzentration der Elemente
Die Nachweisempfindlichkeit für die
Elemente nimmt aus zwei Gründen von leichten zu schweren
Elementen kontinuierlich zu: Die Wahrscheinlichkeit für
die Aussendung von chararakteristischer Röntgenstrahlung
nimmt ebenso wie ihre Durchdringungsfähigkeit und damit
Nachweiswahrmöglichkeit mit der Ordnungszahl zu.
Der Nachweis von leichten Elementen (Kohlenstoff, Sauerstoff)
in kleinen Konzentrationen ist schwierig und qunatitativ unsicher.
EDX eignet sich für Analysen an nicht
zu dünnen Schichten, Systemen aus solchen Schichten (Analysen
im Querschliff/Querschnitt), vor allem, wenn die Anforderungen
an die räumliche Auflösung hoch sind. EDX kann auch
als Ergänzung zu AES für tieferliegende Schichten
dienen.
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Als Rasterelektronenmikroskop (REM) (englisch "Scanning Electron Microscope" (SEM)) bezeichnet man ein Elektronenmikroskop, bei dem ein Elektronenstrahl in einem bestimmten Muster über das vergrößert abzubildende Objekt geführt wird und Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt zur Erzeugung eines Bildes des Objekts genutzt werden.
Die mit einem Rasterelektronenmikroskop erzeugten Bilder sind Abbildungen der Objektoberflächen und sie weisen im Vergleich zu Bildern, die mit lichtoptischen Durchlichtmikroskopen erzeugt werden, eine höhere Schärfentiefe auf. Der maximale theoretische Vergrößerungsfaktor liegt etwa bei 500.000:1, während dieser bei der Lichtmikroskopie bei etwa 2000:1 liegt.
Das Rasterelektronenmikroskop basiert auf der Abrasterung der Objektoberfläche mittels eines feingebündelten Elektronenstrahls. Der komplette Vorgang findet normalerweise im Hochvakuum statt, um Wechselwirkungen mit Atomen und Molekülen in der Luft zu vermeiden.
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Der Elektronenstrahl wird in einer Elektronenquelle erzeugt. Dabei handelt es sich meist um einen haarnadelförmig gebogenen Draht aus Wolfram oder einen LaB6-Kristall. Diese werden erhitzt und emittieren Elektronen, die dann in einem elektrischen Feld mit einer Spannung von typischerweise 8 - 30 kV beschleunigt werden. Moderne Geräte haben eine Feldemissionselektronenkanone (engl. Field Emission Gun (FEG)), diese besteht aus einer sehr feinen Spitze, aus der durch Anlegen einer hohen elektrischen Feldstärke die Elektronen heraustunneln. Instrumente mit einer solchen Quelle zeichnen sich durch besonders gute Bildqualität aus.
Mit Hilfe von Magnetspulen wird der Elektronenstrahl auf einen Punkt auf dem Objekt fokussiert. Der Primärelektronenstrahl wird wie bei einem Fernseher zeilenweise über die Oberfläche des Objekts geführt (Rastern). Trifft der Elektronenstrahl auf das Objekt sind verschiedene Interaktionen möglich, deren Detektion Informationen über die Beschaffenheit des Objekts geben können.
Die Intensität des detektierten Signals an dem Punkt, auf den der Elektronenstrahl fokussiert ist, wird als Grauwert in dem entsprechenden Pixel auf dem Bildschirm dargestellt. Nach einer kurzen Zeit wird der Elektronenstrahl zum nächsten Punkt bewegt und die Messung wiederholt. So wird die Objektoberfläche zeilenweise analysiert.
Die meistgenutze Informationsquelle sind von Primärelektronen angeregte Elektronen aus dem Objekt, die dieses verlassen. Diese sogannten Sekundärelektronen (SE) haben eine Energie von einigen eV und werden von einem sogenannten Everhart Thornley Detektor detektiert. Der Kontrastmechanismus bei Sekundärelektronen basiert darauf, dass in erhabenen Teilen des Objekts mehr SE das Objekt verlassen, so dass diese Bereiche hell erscheinen. Das Volumen, in dem SE generiert werden, ist vergleichsweise klein, daher erlauben SE-Bilder eine sehr hohe Auflösung (wenige nm).
Ein weiteres häufig genutzes Verfahren ist die Detektion von zurückgestreuten Elektronen (engl. Backscattered Electrons (BSE)). Diese vom Objekt reflektierten Primärelektronen haben eine Energie von einigen keV. Das Volumen, in dem es zu derartigen Interaktionen kommt, hängt stark von der Beschleunigungspannung und vom Objektmaterial ab, bei 20 kV liegt es bei etwa 1 μm, daher haben BSE-Bilder eine schlechtere Auflösung. In BSE-Bildern erscheinen tiefliegende Bereiche des Objekts dunkel, zusätzlich hängt die Intensität von der Ordnungszahl des Materials ab. Schwere Elemente sorgen für eine starke Rückstreuung, so dass entsprechende Bereiche hell erscheinen, dies ermöglicht Rückschlüsse auf die chemische Natur des Objektmaterials.
Weitere Interaktionsmechanismen sind die Erzeugung von Augerelektronen und Röntgenstrahlen. Letztere können mittels "Energiedispersiver Röntgenstrahlen-Analyse" ("Energy Dispersive X-Ray Analysis" EDX) Informationen über die stoffliche Zusammensetzung des Objekts geben.
Quelle: wikipedia
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