Rasterelektronenmikroskop (REM)

Ein Rasterelektronenmikroskop ist ein Mikroskop, bei dem ein Elektronenstrahl dazu genutzt wird, ein Objekt (Probe) in einem bestimmten Muster zu rastern. Dabei wechselwirken Probe und Elektronenstrahl miteinander, sodass unter anderem Sekundärelektronen (SE) erzeugt werden, die durch einen entsprechenden Detektor aufgenommen und anschließend zu einem Bild verarbeitet werden. Das erzeugte Bild enthält Informationen über die Probenoberfläche.

Prinzipieller Aufbau und Funktionsprinzip eines SEM Mikroskops

Der Elektronenstrahl bei einem Rasterelektronenmikroskop wird durch eine Elektronenquelle erzeugt. Bei einfachen SEM Mikroskopen handelt es sich bei der Quelle um eine Wolfram-Haarnadelkathode bzw. LaB6 oder bei teureren Geräten um eine thermische Feldemissionskathode (TFE). Die thermische Feldemissionskathode (Schottky-Emitter) wird aktiv geheizt und besitzt dadurch eine höhere Strahlintensität. Die Austrittsarbeit der Elektronen an der Kathodenspitze wird dabei durch die Beschichtung mit Zirconiumoxid heruntergesetzt. Die Elektronenquelle befindet sich dabei stets im Ultrahochvakuum (UHV).

Durch das Anlegen einer Beschleunigungsspannung werden die an der Quelle erzeugten Elektronen in Richtung Probe beschleunigt. Übliche Beschleunigungsspannungen für Rasterelektronenmikroskope liegen zwischen 100 V und 30 kV. Die Elektronen werden auf dem Weg zur Probe durch meist elektromagnetische Linsen abgelenkt oder gebündelt. Blenden (Aperturen) werden dazu verwendet, den Hauptelektronenstrahl zu Formen und Störeffekte herauszufiltern.

Ein Elektronenstrahl, der die Säule durchquert und auf die Probe trifft (Primärelektronen), ruft eine Wechselwirkung im Material hervor. Ein Ergebnis dieser Wechselwirkungen können Sekundärelektronen, Rückstreuelektronen, Auger-Elektronen oder charakteristische Röntgenstrahlung sein.

Sekundärelektronen beim Rasterelektronenmikroskop

Die Sekundärelektronen (SE) werden in Rasterelektronenmikroskopen am häufigsten genutzt. Sie werden für die Bildgebung durch Everhart-Thornley-Detektoren oder sogenannte Inlens-Detektoren detektiert. Die niedrige Energie dieser Elektronen dient im SEM Mikroskop dazu, die Topografie der Probe abzubilden. Der Detektor nimmt dabei nur Sekundärelektronen auf, die aus dem Oberflächenbereich bis zu einer Tiefe von wenigen Nanometern stammen. Tieferliegende Elektronen verlassen die Probe nicht mehr.

Der Bildkontrast hängt von vielen Größen ab, so können zum Detektor geneigte Flächen heller erscheinen als abgewandte bzw. abgeschattete Flächen. Weiterhin ist die Anzahl der sich bildenden Sekundärelektronen materialabhängig und auch die mögliche Aufladung einer Probe hat einen großen Einfluss auf den Bildkontrast.

Rückstreuelektronen beim Rasterelektronenmikroskop

Rückstreuelektronen (eng. back-scattered electrons, kurz BSE) werden in Rasterelektronenmikroskopen häufig genutzt. Detektiert werden dabei die von der Probe zurückgestreuten Primärelektronen, die eine höhere Energie aufweisen als Sekundärelektronen. Mit einem BSE-Detektor lassen sich Materialkontraste besonders gut abbilden, da die Rückstreuung an der Probenoberfläche maßgeblich von der Ordnungszahl des Materials abhängt. Im BSE-Bild spiegelt sich das durch unterschiedliche Helligkeitskontraste ab, die auf schwerere bzw. leichtere Elemente rückschließen lassen.