Rasterelektronenmikroskop – Wikipedia

Art des Elektronenmikroskops

M. von Ardennes erstes REM
Funktionsprinzip eines Rasterelektronenmikroskops (REM)

REM mit geöffneter Probenkammer

EIN Rasterelektronenmikroskop ((SEM) ist eine Art Elektronenmikroskop, das Bilder einer Probe erzeugt, indem die Oberfläche mit einem fokussierten Elektronenstrahl abgetastet wird. Die Elektronen interagieren mit Atomen in der Probe und erzeugen verschiedene Signale, die Informationen über die Oberflächentopographie und die Zusammensetzung der Probe enthalten. Der Elektronenstrahl wird in einem Rasterabtastmuster abgetastet, und die Position des Strahls wird mit der Intensität des erfassten Signals kombiniert, um ein Bild zu erzeugen. Im gebräuchlichsten SEM-Modus werden Sekundärelektronen, die von durch den Elektronenstrahl angeregten Atomen emittiert werden, mit einem Sekundärelektronendetektor (Everhart-Thornley-Detektor) erfasst. Die Anzahl der nachweisbaren Sekundärelektronen und damit die Signalintensität hängt unter anderem von der Probentopographie ab. Einige SEMs können Auflösungen von mehr als 1 Nanometer erreichen.

Die Proben werden im Hochvakuum in einem herkömmlichen REM oder unter Niedrigvakuum- oder Nassbedingungen in einem REM mit variablem Druck oder in der Umgebung und in einem weiten Bereich von kryogenen oder erhöhten Temperaturen mit speziellen Instrumenten beobachtet.[1]

Geschichte[edit]

Ein Bericht über die frühe Geschichte der Rasterelektronenmikroskopie wurde von McMullan vorgelegt.[2][3] Obwohl Max Knoll mit einem Elektronenstrahlscanner ein Foto mit einer Objektfeldbreite von 50 mm erstellt hat, das den Kanalisierungskontrast zeigt,[4] es war Manfred von Ardenne, der 1937 erfand[5] ein Mikroskop mit hoher Auflösung durch Scannen eines sehr kleinen Rasters mit einem verkleinerten und fein fokussierten Elektronenstrahl. Ardenne wandte eine Abtastung des Elektronenstrahls an, um die Auflösung des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) zu übertreffen und wesentliche Probleme mit der chromatischen Aberration zu mildern, die der realen Bildgebung im TEM inhärent sind. Er diskutierte weiter die verschiedenen Detektionsmodi, Möglichkeiten und Theorie des SEM,[6] zusammen mit dem Aufbau des ersten hochauflösenden REM.[7] Weitere Arbeiten wurden von Zworykins Gruppe berichtet,[8] gefolgt von den Cambridge-Gruppen in den 1950er und frühen 1960er Jahren[9][10][11][12] Unter der Leitung von Charles Oatley führte dies schließlich 1965 zur Vermarktung des ersten kommerziellen Instruments durch die Cambridge Scientific Instrument Company als „Stereoscan“, das an DuPont ausgeliefert wurde.

Prinzipien und Fähigkeiten[edit]

Schottky-Emitter-Elektronenquelle

Elektronen-Materie-Wechselwirkungsvolumen und erzeugte Signaltypen

Die von einem REM zur Erzeugung eines Bildes verwendeten Signale resultieren aus Wechselwirkungen des Elektronenstrahls mit Atomen in verschiedenen Tiefen innerhalb der Probe. Es werden verschiedene Arten von Signalen erzeugt, darunter Sekundärelektronen (SE), reflektierte oder rückgestreute Elektronen (BSE), charakteristische Röntgenstrahlen und Licht (Kathodolumineszenz) (CL), absorbierter Strom (Probenstrom) und übertragene Elektronen. Sekundärelektronendetektoren sind Standardausrüstung in allen SEMs, aber es ist selten, dass eine einzelne Maschine Detektoren für alle anderen möglichen Signale hat.

Sekundärelektronen haben sehr niedrige Energien in der Größenordnung von 50 eV, was ihren mittleren freien Weg in fester Materie begrenzt. Folglich können SEs nur aus den obersten Nanometern der Oberfläche einer Probe entweichen. Das Signal von Sekundärelektronen neigt dazu, am Aufprallpunkt des Primärelektronenstrahls stark lokalisiert zu sein, was es ermöglicht, Bilder der Probenoberfläche mit einer Auflösung von unter 1 nm zu sammeln. Rückgestreute Elektronen (BSE) sind Strahlelektronen, die durch elastische Streuung von der Probe reflektiert werden. Da sie eine viel höhere Energie als SEs haben, treten sie aus tieferen Stellen innerhalb der Probe aus und folglich ist die Auflösung von BSE-Bildern geringer als die von SE-Bildern. BSE werden jedoch häufig im analytischen REM zusammen mit den aus den charakteristischen Röntgenstrahlen erzeugten Spektren verwendet, da die Intensität des BSE-Signals stark mit der Ordnungszahl (Z) der Probe zusammenhängt. BSE-Bilder können Informationen über die Verteilung, jedoch nicht über die Identität verschiedener Elemente in der Stichprobe liefern. In Proben, die überwiegend aus leichten Elementen bestehen, wie z. B. biologischen Proben, kann die BSE-Bildgebung kolloidale Goldimmunmarkierungen mit einem Durchmesser von 5 oder 10 nm abbilden, die ansonsten in Sekundärelektronenbildern schwierig oder unmöglich nachzuweisen wären.[13] Charakteristische Röntgenstrahlen werden emittiert, wenn der Elektronenstrahl ein Elektron der inneren Hülle aus der Probe entfernt, wodurch ein Elektron mit höherer Energie die Hülle füllt und Energie freisetzt. Die Energie oder Wellenlänge dieser charakteristischen Röntgenstrahlen kann durch energiedispersive Röntgenspektroskopie oder wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie gemessen und zur Identifizierung und Messung der Häufigkeit von Elementen in der Probe und zur Abbildung ihrer Verteilung verwendet werden.

Aufgrund des sehr engen Elektronenstrahls weisen REM-Aufnahmen eine große Schärfentiefe auf, was ein charakteristisches dreidimensionales Erscheinungsbild ergibt, das zum Verständnis der Oberflächenstruktur einer Probe nützlich ist.[14] Dies wird durch die oben gezeigte mikroskopische Aufnahme von Pollen veranschaulicht. Ein breiter Bereich von Vergrößerungen ist möglich, von etwa dem 10-fachen (etwa dem einer leistungsstarken Handlinse) bis zu mehr als dem 500.000-fachen, etwa dem 250-fachen der Vergrößerungsgrenze der besten Lichtmikroskope.

Probenvorbereitung[edit]

Eine mit Gold beschichtete Spinne, die für die Betrachtung mit einem REM vorbereitet wurde

Niederspannungsmikroskopische Aufnahme (300 V) der Verteilung von Klebstofftröpfchen auf einer Haftnotiz. Es wurde keine leitfähige Beschichtung aufgebracht: Eine solche Beschichtung würde diese zerbrechliche Probe verändern.

REM-Proben müssen klein genug sein, um auf den Probentisch zu passen, und müssen möglicherweise speziell vorbereitet werden, um ihre elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und sie zu stabilisieren, damit sie den Hochvakuumbedingungen und dem energiereichen Elektronenstrahl standhalten können. Die Proben werden im Allgemeinen unter Verwendung eines leitfähigen Klebstoffs starr auf einem Probenhalter oder Stummel montiert. SEM wird häufig zur Fehleranalyse von Halbleiterwafern verwendet, und Hersteller stellen Instrumente her, mit denen jeder Teil eines 300-mm-Halbleiterwafers untersucht werden kann. Viele Instrumente haben Kammern, die ein Objekt dieser Größe auf 45 ° neigen und eine kontinuierliche 360 ​​° -Drehung ermöglichen.

Nichtleitende Proben sammeln Ladung, wenn sie vom Elektronenstrahl abgetastet werden, und insbesondere im Sekundärelektronenbildgebungsmodus verursacht dies Abtastfehler und andere Bildartefakte. Für die konventionelle Bildgebung im REM müssen die Proben zumindest an der Oberfläche elektrisch leitfähig und elektrisch geerdet sein, um die Ansammlung elektrostatischer Ladung zu verhindern. Metallgegenstände erfordern nur eine geringe spezielle Vorbereitung für das REM, außer für die Reinigung und die leitende Montage an einem Probenstumpf. Nichtleitende Materialien werden üblicherweise mit einer ultradünnen Beschichtung aus elektrisch leitendem Material beschichtet, die entweder durch Niedrigvakuum-Sputterbeschichtung oder durch Hochvakuumverdampfung auf der Probe abgeschieden wird. Derzeit für die Beschichtung von Proben verwendete leitfähige Materialien umfassen Gold, Gold / Palladium-Legierung, Platin, Iridium, Wolfram, Chrom, Osmium,[13] und Graphit. Die Beschichtung mit Schwermetallen kann das Signal / Rausch-Verhältnis für Proben mit niedriger Ordnungszahl (Z) erhöhen. Die Verbesserung ergibt sich, weil die Sekundärelektronenemission für Materialien mit hohem Z-Wert verbessert wird.

Eine Alternative zur Beschichtung einiger biologischer Proben besteht darin, die Volumenleitfähigkeit des Materials durch Imprägnierung mit Osmium unter Verwendung von Varianten des OTO-Färbeverfahrens (O-Osmiumtetroxid, T-Thiocarbohydrazid, O-Osmium) zu erhöhen.[15][16]

Nichtleitende Proben können ohne Beschichtung unter Verwendung eines Umgebungs-SEM (ESEM) oder eines Niederspannungsmodus des SEM-Betriebs abgebildet werden.[17] Bei ESEM-Instrumenten wird die Probe in eine Hochdruckkammer gegeben und die elektronenoptische Säule wird differentiell gepumpt, um das Vakuum angemessen zu halten[clarification needed] niedrig an der Elektronenkanone. Der Hochdruckbereich um die Probe im ESEM neutralisiert die Ladung und sorgt für eine Verstärkung des Sekundärelektronensignals.[citation needed] Niederspannungs-SEM wird typischerweise in einem Instrument mit einer Feldemissionskanone (FEG) durchgeführt, die in der Lage ist, selbst bei niedrigen Beschleunigungspotentialen eine hohe Primärelektronenhelligkeit und eine kleine Punktgröße zu erzeugen. Um das Laden nichtleitender Proben zu verhindern, müssen die Betriebsbedingungen so eingestellt werden, dass der einfallende Strahlstrom gleich der Summe der ausgehenden Sekundär- und Rückstreuelektronenströme ist, eine Bedingung, die am häufigsten bei Beschleunigungsspannungen von 0,3–4 kV erfüllt ist.[citation needed]

Synthetische Repliken können angefertigt werden, um die Verwendung von Originalproben zu vermeiden, wenn diese aufgrund methodischer Hindernisse oder rechtlicher Probleme nicht für die SEM-Untersuchung geeignet oder verfügbar sind. Diese Technik wird in zwei Schritten erreicht: (1) Eine Form der ursprünglichen Oberfläche wird unter Verwendung eines Zahnelastomers auf Silikonbasis hergestellt, und (2) eine Nachbildung der ursprünglichen Oberfläche wird erhalten, indem ein Kunstharz in die Form gegossen wird.[18]

Das Einbetten in ein Harz mit weiterem Polieren zu einem spiegelähnlichen Finish kann sowohl für biologische als auch für Materialproben verwendet werden, wenn in rückgestreuten Elektronen abgebildet wird oder wenn eine quantitative Röntgenmikroanalyse durchgeführt wird.

Die wichtigsten Präparationstechniken sind im unten beschriebenen Umgebungs-SEM nicht erforderlich, aber einige biologische Proben können von der Fixierung profitieren.

Biologische Proben[edit]

Für die REM muss eine Probe normalerweise vollständig trocken sein, da sich die Probenkammer im Hochvakuum befindet. Harte, trockene Materialien wie Holz, Knochen, Federn, getrocknete Insekten oder Muscheln (einschließlich Eierschalen)[19]) können mit wenig weiterer Behandlung untersucht werden, aber lebende Zellen und Gewebe sowie ganze Organismen mit weichem Körper erfordern eine chemische Fixierung, um ihre Struktur zu erhalten und zu stabilisieren.

Die Fixierung erfolgt normalerweise durch Inkubation in einer Lösung eines gepufferten chemischen Fixiermittels wie Glutaraldehyd, manchmal in Kombination mit Formaldehyd[20][21][22] und andere Fixiermittel,[23] und gegebenenfalls gefolgt von einer Nachfixierung mit Osmiumtetroxid.[20] Das fixierte Gewebe wird dann dehydriert. Da das Trocknen an der Luft ein Zusammenfallen und Schrumpfen verursacht, wird dies üblicherweise durch Ersetzen von Wasser in den Zellen durch organische Lösungsmittel wie Ethanol oder Aceton und Ersetzen dieser Lösungsmittel durch eine Übergangsflüssigkeit wie flüssiges Kohlendioxid durch Trocknen an kritischen Punkten erreicht.[24] Das Kohlendioxid wird schließlich in einem überkritischen Zustand entfernt, so dass während des Trocknens keine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche in der Probe vorhanden ist.

Die trockene Probe wird üblicherweise mit einem Klebstoff wie Epoxidharz oder einem elektrisch leitenden doppelseitigen Klebeband auf einen Probenstummel montiert und vor der Untersuchung im Mikroskop mit Gold oder Gold / Palladium-Legierung sputterbeschichtet. Proben können geschnitten werden (mit einem Mikrotom), wenn Informationen über die interne Ultrastruktur des Organismus für die Bildgebung freigelegt werden sollen.

Wenn das REM mit einem kalten Tisch für die Kryomikroskopie ausgestattet ist, kann eine Kryofixierung verwendet und eine Niedertemperatur-Rasterelektronenmikroskopie an den kryogen fixierten Proben durchgeführt werden.[20] Kryofixierte Proben können unter Vakuum in einer speziellen Vorrichtung kryofrakturiert werden, um die innere Struktur freizulegen, sputterbeschichtet und auf die SEM-Kryo-Stufe übertragen werden, während sie noch gefroren sind.[25] Die Niedertemperatur-Rasterelektronenmikroskopie (LT-SEM) ist auch für die Abbildung temperaturempfindlicher Materialien wie Eis anwendbar[26][27] und Fette.[28]

Das Einfrieren, Einfrieren oder Einfrieren ist ein Herstellungsverfahren, das besonders nützlich ist, um Lipidmembranen und ihre eingebauten Proteine ​​in „Face-on“ -Ansicht zu untersuchen. Die Herstellungsmethode zeigt die in die Lipiddoppelschicht eingebetteten Proteine.

Materialien[edit]

Die Rückstreuelektronenbildgebung, die quantitative Röntgenanalyse und die Röntgenkartierung von Proben erfordern häufig das Schleifen und Polieren der Oberflächen zu einer ultra-glatten Oberfläche. Proben, die einer WDS- oder EDS-Analyse unterzogen werden, sind häufig mit Kohlenstoff beschichtet. Im Allgemeinen werden Metalle vor der Bildgebung im REM nicht beschichtet, da sie leitfähig sind und ihren eigenen Weg zur Erde bieten.

Fraktographie ist die Untersuchung gebrochener Oberflächen, die mit einem Lichtmikroskop oder üblicherweise mit einem REM durchgeführt werden kann. Die gebrochene Oberfläche wird auf eine geeignete Größe zugeschnitten, von organischen Rückständen gereinigt und zur Betrachtung im REM auf einen Probenhalter montiert.

Integrierte Schaltkreise können mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) oder einem anderen Ionenstrahl-Fräsinstrument zur Betrachtung im REM geschnitten werden. Das SEM kann im ersten Fall in die FIB integriert werden, wodurch eine hochauflösende Abbildung des Ergebnisses des Prozesses ermöglicht wird.

Metalle, geologische Proben und integrierte Schaltkreise können zur Betrachtung im REM auch chemisch poliert werden.

Für die hochvergrößerte Abbildung anorganischer Dünnfilme sind spezielle hochauflösende Beschichtungstechniken erforderlich.

Scanvorgang und Bilderzeugung[edit]

In einem typischen REM wird ein Elektronenstrahl thermionisch von einer Elektronenkanone emittiert, die mit einer Wolframfilamentkathode ausgestattet ist. Wolfram wird normalerweise in thermionischen Elektronenkanonen verwendet, weil es den höchsten Schmelzpunkt und den niedrigsten Dampfdruck aller Metalle aufweist, wodurch es zur Elektronenemission elektrisch erwärmt werden kann, und wegen seiner geringen Kosten. Andere Arten von Elektronenemittern umfassen Lanthanhexaborid (Labor
6
) Kathoden, die in einem Standard-Wolframfilament-REM verwendet werden können, wenn das Vakuumsystem aufgerüstet ist, oder Feldemissionskanonen (FEG), die vom Kaltkathodentyp unter Verwendung von Wolfram-Einkristall-Emittern oder vom thermisch unterstützten Schottky-Typ verwendet werden können Emitter von Zirkonoxid.

Der Elektronenstrahl, der typischerweise eine Energie im Bereich von 0,2 keV bis 40 keV aufweist, wird von einer oder zwei Kondensorlinsen auf einen Punkt mit einem Durchmesser von etwa 0,4 nm bis 5 nm fokussiert. Der Strahl passiert Paare von Abtastspulen oder Paare von Ablenkplatten in der Elektronensäule, typischerweise in der endgültigen Linse, die den Strahl in der ablenken x und y Achsen, so dass es rasterartig über einen rechteckigen Bereich der Probenoberfläche scannt.

Emissionsmechanismen von Sekundärelektronen, rückgestreuten Elektronen und charakteristischen Röntgenstrahlen von Atomen der Probe

Wenn der Primärelektronenstrahl mit der Probe interagiert, verlieren die Elektronen Energie durch wiederholte zufällige Streuung und Absorption innerhalb eines tropfenförmigen Volumens der Probe, bekannt als Interaktionsvolumen, die sich von weniger als 100 nm bis ungefähr 5 um in die Oberfläche erstreckt. Die Größe des Wechselwirkungsvolumens hängt von der Landungsenergie des Elektrons, der Ordnungszahl der Probe und der Dichte der Probe ab. Der Energieaustausch zwischen dem Elektronenstrahl und der Probe führt zur Reflexion energiereicher Elektronen durch elastische Streuung, zur Emission von Sekundärelektronen durch unelastische Streuung und zur Emission elektromagnetischer Strahlung, die jeweils von spezialisierten Detektoren erfasst werden können. Der von der Probe absorbierte Strahlstrom kann ebenfalls erfasst und verwendet werden, um Bilder der Verteilung des Probenstroms zu erstellen. Elektronische Verstärker verschiedener Typen werden verwendet, um die Signale zu verstärken, die als Helligkeitsschwankungen auf einem Computermonitor (oder bei Vintage-Modellen auf einer Kathodenstrahlröhre) angezeigt werden. Jedes Pixel des Computer-Videospeichers ist mit der Position des Strahls auf der Probe im Mikroskop synchronisiert, und das resultierende Bild ist daher eine Verteilungskarte der Intensität des Signals, das von dem abgetasteten Bereich der Probe emittiert wird. Ältere Mikroskope haben Bilder auf Film aufgenommen, aber die meisten modernen Instrumente sammeln digitale Bilder.

Niedertemperatur-REM-Vergrößerungsserie für einen Schneekristall. Die Kristalle werden eingefangen, gelagert und bei kryogenen Temperaturen zur Bildgebung mit Platin sputterbeschichtet.

Vergrößerung[edit]

Die Vergrößerung in einem REM kann über einen Bereich von ungefähr 6 Größenordnungen von ungefähr 10 bis 3.000.000 Mal gesteuert werden.[29] Im Gegensatz zu optischen und Transmissionselektronenmikroskopen ist die Bildvergrößerung in einem REM keine Funktion der Leistung der Objektivlinse. REMs können Kondensator- und Objektivlinsen haben, aber ihre Funktion besteht darin, den Strahl auf einen Punkt zu fokussieren und die Probe nicht abzubilden. Vorausgesetzt, die Elektronenkanone kann einen Strahl mit ausreichend kleinem Durchmesser erzeugen, könnte ein REM im Prinzip vollständig ohne Kondensator- oder Objektivlinsen arbeiten, obwohl es möglicherweise nicht sehr vielseitig ist oder eine sehr hohe Auflösung erzielt. In einem REM wie in der Rastersondenmikroskopie ergibt sich die Vergrößerung aus dem Verhältnis der Abmessungen des Rasters auf der Probe und des Rasters auf der Anzeigevorrichtung. Unter der Annahme, dass der Bildschirm eine feste Größe hat, ergibt sich eine höhere Vergrößerung aus der Verringerung der Größe des Rasters auf der Probe und umgekehrt. Die Vergrößerung wird daher durch den Strom gesteuert, der den x-, y-Abtastspulen zugeführt wird, oder durch die Spannung, die den x-, y-Deflektorplatten zugeführt wird, und nicht durch die Objektivlinsenleistung.

Detektion von Sekundärelektronen[edit]

Der gebräuchlichste Bildgebungsmodus sammelt energiearme (<50 eV) Sekundärelektronen, die durch unelastische Streuwechselwirkungen mit Strahlelektronen aus Leitungs- oder Valenzbändern der Probenatome ausgestoßen werden. Aufgrund ihrer geringen Energie stammen diese Elektronen aus wenigen Nanometern unterhalb der Probenoberfläche.[14] Die Elektronen werden von einem Everhart-Thornley-Detektor erfasst.[30] Dies ist eine Art Kollektor-Szintillator-Photovervielfachersystem. Die Sekundärelektronen werden zuerst gesammelt, indem sie bei etwa +400 V in Richtung eines elektrisch vorgespannten Gitters angezogen und dann weiter in Richtung eines Leuchtstoffs oder Szintillators beschleunigt werden, der positiv auf etwa +2000 V vorgespannt ist. Die beschleunigten Sekundärelektronen sind jetzt ausreichend energiereich, um den Szintillator dazu zu bewegen emittieren Lichtblitze (Kathodolumineszenz), die über einen Lichtleiter und ein Fenster in der Wand der Probenkammer zu einem Fotovervielfacher außerhalb der REM-Säule geleitet werden. Das vom Fotovervielfacher ausgegebene verstärkte elektrische Signal wird als zweidimensionale Intensitätsverteilung angezeigt, die auf einer analogen Videoanzeige angezeigt und fotografiert oder einer Analog-Digital-Umwandlung unterzogen und als digitales Bild angezeigt und gespeichert werden kann. Dieser Prozess basiert auf einem vom Raster gescannten Primärstrahl. Die Helligkeit des Signals hängt von der Anzahl der Sekundärelektronen ab, die den Detektor erreichen. Wenn der Strahl senkrecht zur Oberfläche in die Probe eintritt, ist der aktivierte Bereich um die Achse des Strahls gleichmäßig und eine bestimmte Anzahl von Elektronen „entweicht“ aus der Probe heraus. Wenn der Einfallswinkel zunimmt, nimmt das Wechselwirkungsvolumen zu und die „Flucht“ -Distanz einer Seite des Strahls nimmt ab, was dazu führt, dass mehr Sekundärelektronen von der Probe emittiert werden. Daher sind steile Oberflächen und Kanten tendenziell heller als flache Oberflächen, was zu Bildern mit einem genau definierten dreidimensionalen Erscheinungsbild führt. Bei Verwendung des Signals der Sekundärelektronen ist eine Bildauflösung von weniger als 0,5 nm möglich.

Detektion von rückgestreuten Elektronen[edit]

Vergleich der SEM-Techniken:
Oben: Rückstreuelektronenanalyse – Zusammensetzung
Unten: Sekundärelektronenanalyse – Topographie

Rückgestreute Elektronen (BSE) bestehen aus hochenergetischen Elektronen, die aus dem Elektronenstrahl stammen und durch elastische Streuwechselwirkungen mit Probenatomen aus dem Probenwechselwirkungsvolumen reflektiert oder zurückgestreut werden. Da schwere Elemente (hohe Ordnungszahl) Elektronen stärker zurückstreuen als leichte Elemente (niedrige Ordnungszahl) und daher im Bild heller erscheinen, werden BSEs verwendet, um den Kontrast zwischen Bereichen mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zu erfassen.[14] Der Everhart-Thornley-Detektor, der normalerweise auf einer Seite der Probe positioniert ist, ist für die Detektion von rückgestreuten Elektronen ineffizient, da in dem vom Detektor eingeschlossenen Raumwinkel nur wenige solcher Elektronen emittiert werden und das positiv vorgespannte Detektionsgitter nur über geringe Fähigkeiten verfügt die höhere Energie BSE anzuziehen. Spezielle rückgestreute Elektronendetektoren sind über der Probe in einer Anordnung vom Typ „Donut“ positioniert, die konzentrisch zum Elektronenstrahl ist, um den Raumwinkel der Sammlung zu maximieren. BSE-Detektoren sind normalerweise entweder vom Szintillator- oder vom Halbleitertyp. Wenn alle Teile des Detektors verwendet werden, um Elektronen symmetrisch um den Strahl zu sammeln, wird ein Atomzahlkontrast erzeugt. Ein starker topografischer Kontrast wird jedoch erzeugt, indem rückgestreute Elektronen von einer Seite über der Probe unter Verwendung eines asymmetrischen gerichteten BSE-Detektors gesammelt werden; Der resultierende Kontrast erscheint als Beleuchtung der Topographie von dieser Seite. Halbleiterdetektoren können in radialen Segmenten hergestellt werden, die ein- oder ausgeschaltet werden können, um die Art des erzeugten Kontrasts und seine Richtwirkung zu steuern.

Rückgestreute Elektronen können auch verwendet werden, um ein Elektronenrückstreuungsbeugungsbild (EBSD-Bild) zu erzeugen, das zur Bestimmung der kristallographischen Struktur der Probe verwendet werden kann.

Strahlinjektionsanalyse von Halbleitern[edit]

Die Natur der SEM-Sonde, energetische Elektronen, macht es einzigartig geeignet, die optischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien zu untersuchen. Die hochenergetischen Elektronen aus dem SEM-Strahl injizieren Ladungsträger in den Halbleiter. Somit verlieren Strahlelektronen Energie, indem sie Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband befördern und Löcher hinterlassen.

In einem Material mit direkter Bandlücke führt die Rekombination dieser Elektron-Loch-Paare zu einer Kathodolumineszenz. Wenn die Probe ein internes elektrisches Feld enthält, wie es an einem pn-Übergang vorhanden ist, bewirkt die SEM-Strahlinjektion von Ladungsträgern, dass durch Elektronenstrahlen induzierter Strom (EBIC) fließt. Kathodolumineszenz und EBIC werden als „Strahlinjektionstechniken“ bezeichnet und sind sehr leistungsfähige Sonden für das optoelektronische Verhalten von Halbleitern, insbesondere zur Untersuchung nanoskaliger Merkmale und Defekte.

Kathodolumineszenz[edit]

Farbkathodolumineszenz-Overlay auf dem REM-Bild eines InGaN-Polykristalls. Die blauen und grünen Kanäle repräsentieren echte Farben, der rote Kanal entspricht der UV-Emission.

Die Kathodolumineszenz, die Emission von Licht, wenn Atome, die von hochenergetischen Elektronen angeregt werden, in ihren Grundzustand zurückkehren, ist analog zur UV-induzierten Fluoreszenz, und einige Materialien wie Zinksulfid und einige fluoreszierende Farbstoffe weisen beide Phänomene auf. In den letzten Jahrzehnten wurde Kathodolumineszenz am häufigsten als Lichtemission von der Innenfläche der Kathodenstrahlröhre in Fernsehgeräten und Computer-CRT-Monitoren erlebt. Im REM sammeln CL-Detektoren entweder das gesamte von der Probe emittierte Licht oder können die von der Probe emittierten Wellenlängen analysieren und ein Emissionsspektrum oder ein Bild der Verteilung der von der Probe emittierten Kathodolumineszenz in realer Farbe anzeigen.

Röntgenmikroanalyse[edit]

Charakteristische Röntgenstrahlen, die durch Wechselwirkung von Elektronen mit der Probe erzeugt werden, können auch in einem SEM nachgewiesen werden, das für energiedispersive Röntgenspektroskopie oder wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie ausgestattet ist. Die Analyse der Röntgensignale kann verwendet werden, um die Verteilung abzubilden und die Häufigkeit von Elementen in der Probe abzuschätzen.

Auflösung des SEM[edit]

Ein Video, das einen typischen praktischen Vergrößerungsbereich eines Rasterelektronenmikroskops für biologische Proben zeigt. Das Video beginnt bei 25 ×, ungefähr 6 mm über das gesamte Sichtfeld, und zoomt auf 12000 ×, ungefähr 12 μm über das gesamte Sichtfeld. Die kugelförmigen Objekte sind Glasperlen mit einem Durchmesser von 10 & mgr; m, ähnlich einem Durchmesser wie rote Blutkörperchen.

SEM ist keine Kamera und der Detektor erzeugt nicht kontinuierlich Bilder wie ein CCD-Array oder ein Film. Anders als in einem optischen System ist die Auflösung nicht durch die Beugungsgrenze, die Feinheit von Linsen oder Spiegeln oder die Auflösung des Detektorarrays begrenzt. Die Fokussieroptik kann groß und grob sein, und der SE-Detektor ist faustgroß und erkennt einfach Strom. Stattdessen hängt die räumliche Auflösung des SEM von der Größe des Elektronenflecks ab, was wiederum sowohl von der Wellenlänge der Elektronen als auch von dem elektronenoptischen System abhängt, das den Abtaststrahl erzeugt. Die Auflösung ist auch durch die Größe des Wechselwirkungsvolumens begrenzt, das Volumen des Probenmaterials, das mit dem Elektronenstrahl wechselwirkt. Die Punktgröße und das Wechselwirkungsvolumen sind beide im Vergleich zu den Abständen zwischen Atomen groß, so dass die Auflösung des SEM nicht hoch genug ist, um einzelne Atome abzubilden, wie dies mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) möglich ist. Das REM hat jedoch kompensierende Vorteile, einschließlich der Fähigkeit, einen vergleichsweise großen Bereich der Probe abzubilden; die Fähigkeit, Schüttgüter (nicht nur dünne Filme oder Folien) abzubilden; und die Vielzahl der verfügbaren Analysemodi zum Messen der Zusammensetzung und der Eigenschaften der Probe. Je nach Instrument kann die Auflösung zwischen weniger als 1 nm und 20 nm liegen. Ab 2009 kann das weltweit höchste konventionelle REM (≤ 30 kV) mit einem Sekundärelektronendetektor eine Punktauflösung von 0,4 nm erreichen.[31]

Umwelt-SEM[edit]

Herkömmliches REM erfordert die Abbildung von Proben unter Vakuum, da sich eine Gasatmosphäre schnell ausbreitet und Elektronenstrahlen abschwächt. Infolgedessen müssen Proben, die eine erhebliche Menge Dampf erzeugen, z. B. feuchte biologische Proben oder ölhaltiges Gestein, entweder getrocknet oder kryogen gefroren werden. Prozesse mit Phasenübergängen wie Trocknen von Klebstoffen oder Schmelzen von Legierungen, Flüssigkeitstransport, chemische Reaktionen und Fest-Luft-Gas-Systeme können mit herkömmlichem Hochvakuum-REM im Allgemeinen nicht beobachtet werden. Beim Umgebungs-SEM (ESEM) wird die Kammer von Luft befreit, aber der Wasserdampf wird nahe seinem Sättigungsdruck zurückgehalten und der Restdruck bleibt relativ hoch. Dies ermöglicht die Analyse von Proben, die Wasser oder andere flüchtige Substanzen enthalten. Mit ESEM waren Beobachtungen lebender Insekten möglich.[32]

Die erste kommerzielle Entwicklung des ESEM Ende der 1980er Jahre[33][34] erlaubte die Beobachtung von Proben in gasförmigen Niederdruckumgebungen (z. B. 1–50 Torr oder 0,1–6,7 kPa) und hoher relativer Luftfeuchtigkeit (bis zu 100%). Möglich wurde dies durch die Entwicklung eines Sekundärelektronendetektors[35][36] fähig, in Gegenwart von Wasserdampf und durch Verwendung von druckbegrenzenden Öffnungen mit Differentialpumpen im Weg des Elektronenstrahls zu arbeiten, um den Vakuumbereich (um die Pistole und die Linsen) von der Probenkammer zu trennen. Die ersten kommerziellen ESEMs wurden 1988 von der ElectroScan Corporation in den USA hergestellt. ElectroScan wurde 1996 von Philips (der später seine Abteilung für Elektronenoptik an die FEI Company verkaufte) übernommen.[37]

ESEM ist besonders nützlich für nichtmetallische und biologische Materialien, da eine Beschichtung mit Kohlenstoff oder Gold nicht erforderlich ist. Unbeschichtete Kunststoffe und Elastomere können ebenso wie unbeschichtete biologische Proben routinemäßig untersucht werden. Dies ist nützlich, da es schwierig sein kann, die Beschichtung umzukehren, kleine Merkmale auf der Oberfläche der Probe zu verbergen und den Wert der erhaltenen Ergebnisse zu verringern. Die Röntgenanalyse ist mit einer Beschichtung aus einem Schwermetall schwierig, daher werden Kohlenstoffbeschichtungen routinemäßig in herkömmlichen REMs verwendet, aber ESEM ermöglicht die Durchführung einer Röntgenmikroanalyse an unbeschichteten nichtleitenden Proben. Einige spezifische für ESEM-Artefakte werden jedoch in die Röntgenanalyse eingeführt. ESEM kann für die Elektronenmikroskopie einzigartiger Proben aus strafrechtlichen oder zivilrechtlichen Maßnahmen bevorzugt werden, bei denen die forensische Analyse möglicherweise von mehreren verschiedenen Experten wiederholt werden muss. Es ist möglich, Proben in Flüssigkeit mit ESEM oder mit anderen Flüssigphasen-Elektronenmikroskopie-Methoden zu untersuchen.[38]

Transmission SEM[edit]

Das REM kann auch im Transmissionsmodus verwendet werden, indem einfach ein geeigneter Detektor unter einem dünnen Probenabschnitt eingebaut wird.[39] Detektoren sind für Hellfeld-, Dunkelfeld- und segmentierte Detektoren für ringförmiges Mittelfeld mit mittlerem bis hohem Winkel erhältlich. Trotz der unterschiedlichen Instrumentierung wird diese Technik immer noch allgemein als Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) bezeichnet.

Farbe in REM[edit]

Elektronenmikroskope erzeugen auf natürliche Weise keine Farbbilder, da ein REM einen einzelnen Wert pro Pixel erzeugt. Dieser Wert entspricht der Anzahl der Elektronen, die der Detektor während eines kurzen Zeitraums der Abtastung empfängt, wenn der Strahl auf die (x, y) Pixelposition gerichtet ist.

Diese einzelne Zahl wird normalerweise für jedes Pixel durch eine Graustufe dargestellt, die ein „Schwarzweiß“ -Bild bildet.[40] Es wurden jedoch verschiedene Wege verwendet, um Farbelektronenmikroskopbilder zu erhalten.[41]

Falsche Farbe mit einem einzigen Detektor[edit]

  • Auf Kompositionsbildern von flachen Oberflächen (typischerweise BSE):

Der einfachste Weg, um Farbe zu erhalten, besteht darin, dieser einzelnen Zahl mithilfe einer Farbnachschlagetabelle eine beliebige Farbe zuzuordnen (dh jede Graustufe wird durch eine ausgewählte Farbe ersetzt). Diese Methode wird als Falschfarbe bezeichnet. Auf einem BSE-Bild kann eine Falschfarbe durchgeführt werden, um die verschiedenen Phasen der Probe besser zu unterscheiden.[42]

  • Auf strukturierten Oberflächenbildern:

Als Alternative zum einfachen Ersetzen jeder Graustufe durch eine Farbe können Forscher mit einer von einem schrägen Strahl beobachteten Probe ein ungefähres Topografiebild erstellen (siehe weiteren Abschnitt „Photometrisches 3D-Rendering aus einem einzelnen REM-Bild“). Eine solche Topographie kann dann durch 3D-Rendering-Algorithmen für ein natürlicheres Rendering der Oberflächentextur verarbeitet werden

REM-Bildfärbung[edit]

Sehr oft werden veröffentlichte SEM-Bilder künstlich gefärbt.[42] Dies kann aus ästhetischen Gründen erfolgen, um die Struktur zu verdeutlichen oder um der Probe ein realistisches Aussehen zu verleihen[43] und fügt im Allgemeinen keine Informationen über die Probe hinzu.[44]

Das Färben kann manuell mit einer Fotobearbeitungssoftware oder halbautomatisch mit einer speziellen Software unter Verwendung der Merkmalserkennung oder objektorientierten Segmentierung durchgeführt werden.[45]

Farbe mit mehreren Elektronendetektoren[edit]

In einigen Konfigurationen werden mehr Informationen pro Pixel gesammelt, häufig unter Verwendung mehrerer Detektoren.[46]

Als übliches Beispiel werden Sekundärelektronen- und Rückstreuelektronendetektoren überlagert und jedem der von jedem Detektor aufgenommenen Bilder eine Farbe zugewiesen.[47][48] mit einem Endergebnis eines kombinierten Farbbildes, bei dem Farben mit der Dichte der Komponenten in Beziehung stehen. Diese Methode ist als dichteabhängiges Farb-SEM (DDC-SEM) bekannt. Mit DDC-SEM erstellte mikroskopische Aufnahmen speichern topografische Informationen, die vom Sekundärelektronendetektor besser erfasst werden, und kombinieren sie mit den Informationen über die Dichte, die vom Rückstreuelektronendetektor erhalten werden.[49][50]

Analytische Signale basierend auf erzeugten Photonen[edit]

Die Messung der Energie von Photonen, die von der Probe emittiert werden, ist eine übliche Methode, um analytische Fähigkeiten zu erhalten. Beispiele sind die energiedispersiven Röntgenspektroskopiedetektoren (EDS), die in Elementaranalyse- und Kathodolumineszenzmikroskopsystemen (CL) verwendet werden und die Intensität und das Spektrum der elektroneninduzierten Lumineszenz in (zum Beispiel) geologischen Proben analysieren. In SEM-Systemen, die diese Detektoren verwenden, ist es üblich, diese zusätzlichen Signale farblich zu kennzeichnen und in einem einzigen Farbbild zu überlagern, damit Unterschiede in der Verteilung der verschiedenen Komponenten der Probe klar erkennbar und verglichen werden können. Optional kann das Standard-Sekundärelektronenbild mit dem einen oder den mehreren Zusammensetzungskanälen zusammengeführt werden, so dass die Struktur und Zusammensetzung der Probe verglichen werden kann. Solche Bilder können unter Beibehaltung der vollständigen Integrität der ursprünglichen Signaldaten erstellt werden, die in keiner Weise geändert werden.

3D in SEM[edit]

SEMs liefern im Gegensatz zu SPMs natürlich keine 3D-Bilder. 3D-Daten können jedoch unter Verwendung eines SEM mit verschiedenen Methoden wie folgt erhalten werden.

3D-SEM-Rekonstruktion aus einem Stereopaar[edit]

  • Die Photogrammetrie ist die messtechnisch genaueste Methode, um REM-Bildern die dritte Dimension zu verleihen.[42] Im Gegensatz zu photometrischen Methoden (nächster Absatz) berechnet die Photogrammetrie absolute Höhen mithilfe von Triangulationsmethoden. Die Nachteile sind, dass es nur funktioniert, wenn es eine minimale Textur gibt, und dass zwei Bilder aus zwei verschiedenen Winkeln aufgenommen werden müssen, was die Verwendung einer Neigungsstufe impliziert. (Photogrammetrie ist eine Softwareoperation, die die Verschiebung (oder „Disparität“) für jedes Pixel zwischen dem linken Bild und dem rechten Bild desselben Paares berechnet. Diese Disparität spiegelt die lokale Höhe wider.)

Photometrische 3D-SEM-Rekonstruktion aus einem Vier-Quadranten-Detektor durch „Form aus Schattierung“[edit]

Dieses Verfahren verwendet typischerweise einen Vier-Quadranten-BSE-Detektor (alternativ für einen Hersteller einen 3-Segment-Detektor). Das Mikroskop erzeugt gleichzeitig vier Bilder derselben Probe, sodass keine Neigung der Probe erforderlich ist. Die Methode liefert messtechnische 3D-Dimensionen, sofern die Neigung der Probe angemessen bleibt.[42] Die meisten SEM-Hersteller bieten ab 2018 (2018) einen solchen integrierten oder optionalen Vier-Quadranten-BSE-Detektor zusammen mit einer proprietären Software zur Berechnung eines 3D-Bildes in Echtzeit an.[52]

Andere Ansätze verwenden ausgefeiltere (und manchmal GPU-intensive) Methoden wie den optimalen Schätzalgorithmus und bieten viel bessere Ergebnisse[53] auf Kosten hoher Anforderungen an die Rechenleistung.

In allen Fällen funktioniert dieser Ansatz durch Integration der Steigung, sodass vertikale Steigungen und Überhänge ignoriert werden. Wenn beispielsweise eine ganze Kugel auf einer Ebene liegt, ist kaum mehr als die obere Hemisphäre über der Ebene zu sehen, was zu einer falschen Höhe der Kugelspitze führt. Die Bedeutung dieses Effekts hängt vom Winkel der BSE-Detektoren in Bezug auf die Probe ab. Diese Detektoren befinden sich jedoch normalerweise um (und in der Nähe) des Elektronenstrahls, sodass dieser Effekt sehr häufig ist.

Photometrisches 3D-Rendering aus einem einzelnen REM-Bild[edit]

Dieses Verfahren erfordert ein REM-Bild, das bei schräger Beleuchtung mit geringem Winkel erhalten wird. Die Graustufe wird dann als Steigung interpretiert und die Steigung integriert, um die Probentopographie wiederherzustellen. Diese Methode ist interessant für die visuelle Verbesserung und die Erkennung der Form und Position von Objekten. Im Gegensatz zu anderen Methoden wie der Photogrammetrie können die vertikalen Höhen jedoch normalerweise nicht kalibriert werden.[42]

Andere Arten der 3D-SEM-Rekonstruktion[edit]

  • Inverse Rekonstruktion mit elektronenmaterialinteraktiven Modellen[54][55]
  • Vertikale Stapel von REM-Aufnahmen sowie Bildverarbeitungssoftware[56]
  • Rekonstruktion mit mehreren Auflösungen unter Verwendung einer einzelnen 2D-Datei: Eine qualitativ hochwertige 3D-Bildgebung ist möglicherweise die ultimative Lösung, um die Komplexität poröser Medien aufzudecken. Die Beschaffung ist jedoch kostspielig und zeitaufwändig. Hochwertige 2D-SEM-Bilder sind dagegen weit verbreitet. Kürzlich wurde eine neuartige dreistufige Rekonstruktionsmethode mit mehreren Maßstäben und mehreren Auflösungen vorgestellt, bei der 2D-Bilder direkt zur Entwicklung von 3D-Modellen verwendet werden. Diese Methode, die auf einer Shannon-Entropie und einer bedingten Simulation basiert, kann für die meisten verfügbaren stationären Materialien verwendet werden und kann verschiedene stochastische 3D-Modelle mit nur wenigen Dünnschnitten erstellen.[57][58][59]
  • Das Ionenabrieb-REM (IA-REM) ist eine Methode der nanoskaligen 3D-Bildgebung, bei der ein fokussierter Galliumstrahl verwendet wird, um die Probenoberfläche jeweils 20 Nanometer wiederholt abzureiben. Jede belichtete Oberfläche wird dann gescannt, um ein 3D-Bild zu erstellen.[60][61]

Anwendungen von 3D SEM[edit]

Eine mögliche Anwendung ist die Messung der Rauheit von Eiskristallen. Diese Methode kann Umgebungs-SEM mit variablem Druck und die 3D-Fähigkeiten des SEM kombinieren, um die Rauheit einzelner Eiskristallfacetten zu messen, sie in ein Computermodell umzuwandeln und weitere statistische Analysen des Modells durchzuführen.[62] Andere Messungen umfassen die fraktale Dimension, die Untersuchung der Bruchfläche von Metallen, die Charakterisierung von Materialien, die Korrosionsmessung und Dimensionsmessungen auf der Nanoskala (Stufenhöhe, Volumen, Winkel, Ebenheit, Lagerverhältnis, Koplanarität usw.).[citation needed]

Galerie von SEM-Bildern[edit]

Das Folgende sind Beispiele für Bilder, die mit einem SEM aufgenommen wurden.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

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