Rückstreuelektronen RE oder BSE

Rückstreuelektronen RE oder BSE

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Diese Elektronen, auch als „Backscattered electron“ (BSE) bezeichnet, werden zur Materialkontrastdarstellung oder für Kristallorientierungsbilder verwendet, so z.B. mit dem Robinson-Detektor, Halbleiter-Detektor oder dem YAG-Detektor (Yttrium-Aluminium-Granat).

Ein Teil der Elektronen wird elastisch, d.h. ohne Energieverlust, andere unelastisch, d.h. mit verminderter Energie, zurückgestreut. Alle Elektronen mit einer Energie größer 50 eV werden zu den RE gezählt.

Der Anteil der Reflexion hängt von verschiedenen Faktoren ab, so von der Geometrie der Probe und ganz wesentlich von der Ordnungszahl der vorhandenen Elemente. Gleichzeitig weisen RE eine starke Richtungscharakteristik auf, die abhängig vom Einfall des Primärelektronenstrahls und von der Probentopografie ist. Senkrecht aus der Oberfläche austretende RE liefern einen optimalen Materialkontrast, wohingegen RE, die unter schrägem Einfall des PE entstehen, den Kristallorientierungskontrast liefern.

Das Signal-Rausch-Verhältnis des RE-Signals wird maßgeblich vom Abstand der Probe zum Detektor und von der Detektorfläche bestimmt, welche den Raumwinkel definiert. Je geringer der Abstand ist, desto größer ist der Raumwinkel und desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis. Die Auflösung eines Rückstreubildes wird primär durch die Diffusion in der Anregungsbirne bestimmt.

 

Kontrastarten in Rückstreubildern

Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen Topographiekontrast und Materialkontrast, wobei der Materialkontrast in RE-Abbildungen am häufigsten Verwendung findet. Der topographische Kontrast einer RE-Abbildung entsteht durch unterschiedliche Austrittswinkel der RE-Elektronen.

Der Materialkontrast wird durch die Ordnungszahl der Elemente bestimmt, die ein Material besitzt. Mit zunehmender Ordnungszahl nimmt der Grad der Rückstreuung zu. Je höher die Ordnungszahl eines Materials ist, desto größer ist die RE-Ausbeute, was gleichbedeutend mit einer Zunahme der Helligkeit im Bild ist (Abbildung 1).

Abbildung 1 Beispiele für RE Abbildungen mit Materialkontrast

Der Topographiekontrast ergibt sich aus der Abhängigkeit der Detektionsmöglichkeit von RE und der räumlichen Lage des Detektors zur Probe. Zur Signalerzeugung können nur die Rückstreuelektronen benutzt werden, die geradlinig vom Austrittsort zum Detektor gelangen, deshalb führen Oberflächenrauigkeiten, Asymmetrien der Detektionsflächen und die Position des Detektors zu teilweise starken Schattenbildungen (Abbildung 2).

Abbildung 2 Beispiele für RE Abbildungen mit Topographiekontrast

 

Der Kristallorientierungskontrast (Channeling Contrast) ergibt sich aus der Abhängigkeit der RE-Ausbeute vom Winkel zwischen dem anregenden Elektronenstrahl (PE) und den Netzebenen eines kristallinen Materials bei der Probenabrasterung. Es treten Helligkeitsunterschiede bei unterschiedlich orientierten Körnern eines Polykristalls auf.

Bei einer Punkanregung durch den Elektronenstrahl können für jeden Punkt der Probe Rückstreuelektronen-Beugungsmuster (Electron Back Scatter Diffraction – EBSD) erzeugt werden. Mit einem EBSD-System (spezieller Detektor und Auswertesoftware) können so Verteilungsbilder der Orientierungen von Kristallen in einer Probe erzeugt werden.

Der Magnetkontrast (Typ II) entsteht durch die Abhängigkeit der RE-Ausbeute von Magnetfeldern innerhalb der Probe (abgeschlossene Domänen). Entsprechend der Orientierung des Magnetisierungsvektors einzelner Domänen zum anregenden Elektronenstrahl werden die RE entweder zur Probenoberfläche oder ins Probeninnere abgelenkt. Die unterschiedliche RE-Ausbeute der Domänen erzeugt einen (schwachen) Kontrast, der auch stark von der Lage der Probe zum Detektor abhängt.

RE-Bilder ermöglichen somit u.A. Rückschlüsse auf die chemische Natur des Objektmaterials. Als Detektoren für RE kommen Szintillations- oder Halbleiter-Detektoren zum Einsatz (siehe Artikel „Detektoren“).