Rasterelektronenmikroskop zum selber bauen

Dieses Video habe ich über den Laborjournal Blog gefunden. Ich finde es ziemlich cool. Hier baut sich jemand sein eigenes Rasterelektronenmikroskop zusammen, und das mit vergleichsweise preiswerten Bauteilen, die er beispielsweise in einem bekannten Internet-Auktionshaus erstanden hat. Nur wenige Teile sind dabei speziell für die Elektronenmikroskope. Wenn man seinen Erklärungen lauscht, kann man auch eine Menge über die Funktionsweise von Rasterelektronenmikroskopen lernen.

Der vergleichsweise geringe präparative Aufwand, das hohe Auflösungsvermögen und die enorme Breite der Anwendungsmöglichkeiten haben zusammen mit der leichten Interpretierbarkeit der Bilder und einer hohen Tiefenschärfe für eine weite Verbreitung der Rasterelektronenmikroskope kurz REM (bzw. SEM = Scanning Electron Microscope) nicht nur in den Geowissenschaften geführt. Im Gegensatz zu konventionellen Lichtmikroskopen und Transmissions-Elektronenmikroskopen liefert das REM jedoch keine direkten Bilder, das bedeutet, es existiert kein Strahlengang zwischen der Probe und dem erzeugten Bild. Das signalerzeugende und das signalverarbeitende System sind beim REM getrennt. Das gezeigte Bild ist ein synthetisches Abbild der auf der Probenoberfläche erzeugten Wechselwirkungen zwischen den auftreffenden Elektronen und der Probenoberfläche, während die Probenoberfläche mit einem gebündelten Elektronenstrahl abgerastert wird. Die von der Elektronenkanone beschleunigten primären Elektronen (PE) treffen auf die Probenoberfläche auf und werden dort elastisch oder unelastisch gestreut.

Schematische Darstellung der Signale, die im Rasterelektronenmikroskop (REM) entstehen und genutzt werden. Wikimedia, User RobertMinFG, Leyo, public domain.

Bei der elastischen Streuung werden die eintreffenden negativ geladenen Primärelektronen durch die positiven Atomkerne abgelenkt, ändern ihre Bewegungsrichtung, erleiden dabei aber keinen signifikanten Energieverlust. Treten diese Elektronen nach einfacher oder auch mehrfacher Streuung wieder aus der Probe aus, so werden sie als Rückstreuelektronen (RE oder englisch BSE = back scattered electrons) bezeichnet. Die Ablenkung kann in vergleichsweise großem Winkel erfolgen, so dass die RE weit vom Auftreffort des primären Elektronenstrahls wieder aus der Probe treten können. Die Energie der Rückstreuelektronen liegt mithin im Bereich der Energie der Primärelektronen. Das Verhältnis des Rückstreuelektronenstroms zum Primärelektronenstrom wird als Rückstreukoeffizient bezeichnet und ist stark von der Ordnungszahl des Probenmaterials abhängig, da mit steigender Ordnungszahl die Wahrscheinlichkeit steigt, eintreffende Primärelektronen mit einer einzelnen Ablenkung im großem Winkel zu streuen. Da der Energieverlust hierbei geringer ist als bei leichteren Atomen mit kleineren Ordnungszahlen, bei denen mehrfache Streuung unter kleineren Winkeln vorherrscht, erscheinen Minerale mit schweren Atomen unter dem BSE-Detektor heller. Der Kontrast beruht also auf der unterschiedlichen Fähigkeit, Elektronen abzulenken und damit auf der Ordnungszahl im jeweils vom Elektronenstrahl getroffenen Bereich der Probe.

 

Unelastische Streuung beruht auf einer Wechselwirkung der Primärelektronen mit den Elektronenhüllen, beispielsweise durch Ionisation oder durch Abbremsung der Primärelektronen durch das Coulombfeld eines Atomkerns des Probenmaterials. Da die primären Elektronen hier einen Teil ihrer Energie verlieren, haben sie nur eine begrenzte Reichweite in der Probe. Bei Wechselwirkungen mit den Hüllenelektronen werden Sekundärelektronen (SE) erzeugt. Die äußeren Elektronen der Schalen werden freigesetzt. Diese im Vergleich zu den Primärelektronen und Rückstreuelektronen energiearmen und daher langsamen Sekundärelektronen treten aus einer Oberflächenschicht von 5 – 50 nm aus und werden durch eine zwischen Probe und Detektor angelegte Saugspannung zum Detektor hin beschleunigt. Die pro Primärelektron freigesetzten SE werden als Sekundärelektronen-Ausbeute bezeichnet.

Bleibt die Frage am Schluss: Was kostet der ganze Spass?

Gunnar Ries studierte in Hamburg Mineralogie und promovierte dort am Geologisch-Paläontologischen Institut und Museum über das Verwitterungsverhalten ostafrikanischer Karbonatite. Er arbeitet bei der CRB Analyse Service GmbH in Hardegsen. Hier geäußerte Meinungen sind meine eigenen

1 Kommentar Schreibe einen Kommentar

  1. Rastertunnelmikroskop

    Das Rasterelektronenmikroskop wird ab und zu mit dem Rastertunnelmikroskop verwechselt.

    Aber auch für das Rastertunnelmikroskop gibt es einen preisgünstigen Bausatz (in deutscher Sprache) von der Universität Münster:

    http://sxm4.uni-muenster.de/stm-de/

    Ich glaube, das muss ich haben.

    P. S.:

    Hier ist noch eine alte Bastelei von mir (Video, 2,3 Minuten):

    http://www.youtube.com/watch?v=UYfhu0frLAI

    Der versilberte Objektträger im Video ist 75 mm mal 25 mm gross.

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