Rasterelektronenmikroskopie REM

Rasterelektronenmikroskope (REM) sind das Mittel der Wahl, wenn es um hochauflösende Vergrößerungen geht. Spätestens mit dem Einzug der Nanotechnologie wird klar, dass diese Methode bestens geeignet ist, um Mikro- oder Nanostrukturen zu untersuchen. Die Möglichkeit chemische und kristallographische Analysen mit diesen Systemen durchführen zu können, machen Rasterelektronenmikroskope zu unverzichtbaren Werkzeugen in der Forschung und Entwicklung.

Die Funktionsweise eines REM ist ähnlich dem eines Lichtmikroskops. Beides sind optische Systeme zur Vergrößerung von Objekten. Doch, im Gegensatz zum Lichtmikroskope, besteht die Quelle eines REM aus hochenergetischen Elektronen. Diese Anwendung basiert auf der Entdeckung, dass Elektronen sich durch magnetische Felder manipulieren und ablenken lassen. Analog zu Glaslinsen in der Lichtmikroskopie, können somit elektromagnetische Linsen eingesetzt werden, um einen Elektronenstrahl zu fokussieren oder abzulenken. Wie zuvor erwähnt, liegt der größte Vorteil eines Elektronenmikroskops in der hohen Auflösung. 1873 veröffentlichte Ernst Abbe die Theorie der mikroskopischen Abbildung. Er zeigte, dass die Auflösung von Mikroskopen physikalisch durch die Wellenlänge der Lichtquelle beschränkt ist, da Beugungs- und Interferenzeffekte auftreten. Dabei versteht man unter Auflösung das Unterscheiden von zwei Beugungsscheibchen (auch Airy disks genannt). Diese bestehen aus einer inneren Scheibe und konzentrischen Ringen, die nach außen hin an Intensität verlieren (Abbildung 1).

Abbildung 1 Beugungsscheiben (Quelle: Sachbuch: ISBN-10: 0-387-33325-8)

Der Physiker Louis-Victor DeBroglie zeigte, dass es eine Verbindung zwischen Wellenlänge, Frequenz und Energie gibt. Damit und mittels physikalischer Experimente wurde nachgewiesen, dass Elektronen Welleneigenschaften besitzen. Dadurch wird die Analogie zwischen Elektronen- und Lichtmikroskopie verstärkt, da beide Methoden auf elektromagnetischer Strahlung beruhen. Die Geschwindigkeit bzw. kinetische Energie der Elektronen wirkt sich direkten auf die resultierende Wellenlänge des Elektronenstrahls aus. Dabei wird die Wellenlänge der Elektronen mit zunehmender Beschleunigungsspannung kleiner (Formel?). Folgende Tabelle stellt die Beschleunigungsspannungen und Wellenlängen gegenüber. Die gängigen Beschleunigungsspannungen bei ein REM liegen zwischen 0.1 und 30 kV. Wie man aus der Tabelle sieht ist in der ist dabei die Auflösungsgrenze im Subnanometer-Bereich, so dass Mikro- und Nanostrukturen abgebildet werden können.

(Zugrunde liegende Formel: λ = h /(√(2*U*e*m_e))

Entwicklung der Rasterelektronenmikroskope

Ein kurzer Abriss der Ereignisse soll im Folgenden die Geschichte wiedergeben, bis das erste serienmäßige Rasterelektronenmikroskop in Deutschland produziert wurde.

Max Knoll und Ernst Ruska bauten das erste Elektronenmikroskop. 1933 fertigte E. Ruska ein zweites Elektronenmikroskop, das die lichtmikroskopischen Abbildungsmaßstäbe mit einem Auflösungsvermögen von 50 nm bei weitem übertraf.

1937 versuchte Manfred von Ardenne eine Probenoberfläche von einem Elektronenstrahl abtasten zu lassen und die dabei entstehenden Sekundärelektronen dazu zu benutzen, auf einer Kathodenstrahlröhre ein vergrößertes Bild des abgerasterten Probenbereichs erscheinen zu lassen. 1938 wurde dann von Siemens das erste serienmäßige Elektronenmikroskop produziert.

Abbildung 2 Von E. Ruska und V. von Borries entwickelte Elektronenmikroskop

Geschichtlicher Verlauf hin zur Elektronenmikroskopie

1673       Antoni van Leeuwenhoek fertigte einfache Lichtmikroskope, welche in der Lage waren, vergrößerte Bilder von Proben zu erzeugen

1677       Robert Hooke entwickelte das erste Durchlichtmikroskop (Entdecker der Pflanzenzelle)

1897       Sir Joseph J. Thomson entdeckte das Elektron. Er führte den Beweis, dass das Elektron ein Teilchen mit sehr kleiner Masse und einer elektrisch negativen Ladung ist. Er postulierte auch die Ablenkung der Elektronen durch elektrische und magnetische Felder

1924       Prinz de Broglie definierte Wellennatur und Wellenlänge von Elektronen

1926       Hans Busch entdeckte, dass rotationssymmetrische elektrische und magnetische Felder für geladene Teilchen (z.B. Elektronen) wie Linsen wirken. Wichtige Vorarbeiten für die weitere Entwicklung der REM

1930-40  Walter Glaser erkannte die große Bedeutung der Elektronenoptik gegenüber den Lichtmikroskopen. Er veröffentlichte die Grundlagen der Elektronenoptik

Frühe 30er  Entwicklung des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) durch Max Knoll und Ernst Ruska an der Technischen Hochschule Berlin

1931       Reinhold Rudenberg patentiert das Elektronenmikroskop im Namen von Siemens, obwohl er an der Entwicklung gar nicht teil nahm

1935       Max Knoll bewies die Theorie vom Rasterelektronenmikroskop (REM)

1938      Manfred Baron von Ardenne baute das erste Rasterelektronenstrahlgerät

1939      Ernst Ruska und Bodo von Borries bauten das erste kommerzielle TEM bei Siemens

Ab 1940  folgten zahlreiche Verbesserungen

1964      erstes kommerzielles REM auf dem Markt durch Cambridge Instruments (geliefert an Prof. Gerhard Pfefferkorn, Universität Münster)

1985      Entwicklung des Rastertunnelmikroskops