Elektronenmikroskop

Grundidee und Bedeutung

Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, das das Innere oder die Oberfläche eines Objekts mit Elektronen abbildet. Es ist wichtig, weil es viel feinere Strukturen sichtbar machen kann als ein Lichtmikroskop. Das Auflösungsvermögen hängt wie beim Lichtmikroskop von der verwendeten Wellenlänge ab. Schnelle Elektronen besitzen als Materiewelle eine sehr viel kürzere Wellenlänge als sichtbares Licht. Daher erreicht ein Elektronenmikroskop eine deutlich höhere Auflösung: derzeit etwa 0,05 nm gegenüber etwa 200 nm beim Lichtmikroskop.

Die theoretische Wellenlänge von Elektronen mit 100 keV Elektronenenergie beträgt etwa 0,0037 nm. In der Praxis wird diese Grenze aber nicht vollständig erreicht, weil Elektronenmikroskope eine deutlich geringere numerische Apertur haben und weil Fehler der elektronenoptischen Bauteile, sogenannte Aberrationen, die nutzbare Auflösung verschlechtern.

Elektronenmikroskope erzeugen Bilder auf unterschiedliche Weise. Bei Transmissionselektronenmikroskopen lenken elektronenoptische Linsen die Elektronenbahnen mit magnetischen oder elektrischen Feldern ab. Dadurch ähnelt der Strahlengang dem eines klassischen Durchlichtmikroskops. Andere Geräte, besonders Rasterelektronenmikroskope, erzeugen das Bild, indem ein feiner Elektronenstrahl Punkt für Punkt über die Probe geführt wird und dabei entstehende Signale gemessen werden.

Aufbau eines Elektronenmikroskops

Die Elektronenkanone erzeugt freie Elektronen in einer Elektronenquelle und beschleunigt sie in Richtung einer ringförmig um die Strahlachse liegenden Anode. Die Anode liegt auf Erdpotential, die Kathode auf negativer Hochspannung. Je nach Mikroskop liegt diese Spannung zwischen wenigen Kilovolt und bis zu 3 Megavolt. Sie bestimmt die Energie der Elektronen.

Elektronenlinsen lenken die Flugbahnen der Elektronen ab. Meist verwendet man magnetische Linsen, in der Elektronenkanone teilweise auch elektrostatische Linsen. Sie erfüllen eine ähnliche Aufgabe wie Glaslinsen im Lichtmikroskop. Ihre Brennweite ist aber regelbar. Deshalb besitzt ein Elektronenmikroskop normalerweise keine austauschbaren oder verschiebbaren Objektive und Okulare wie ein Lichtmikroskop. Zusätzlich werden Blenden eingesetzt.

Ein Vakuumsystem ist nötig, damit die Elektronenquelle effizient arbeitet und die Elektronen nicht durch Zusammenstöße mit Gasmolekülen gestört werden. Die Objekthalterung muss die Probe stabil halten und kann je nach Bauart Verschiebung, Drehung, Kippung, Heizung oder Kühlung ermöglichen. Detektoren registrieren Elektronen oder sekundäre Signale. Die Mikroskopsäule trägt die elektronenoptischen Bauteile, schirmt meist magnetisch gegen äußere Magnetfelder ab und dichtet das Vakuum im Inneren ab.

Arten und Bildentstehung

Elektronenmikroskope lassen sich nach der Art der Bilderzeugung und nach der Geometrie der Anordnung einteilen. Nach der Bilderzeugung unterscheidet man vor allem Rasterelektronenmikroskope und Ruhebildmikroskope.

Bei einem Rasterelektronenmikroskop, kurz REM oder SEM, erzeugt ein elektronenoptisches System einen feinen Elektronenstrahl. Dieser wird zeilenweise über einen rechteckigen Bereich der Probe geführt, also gerastert. Das Bild entsteht dadurch, dass ein vom Elektronenstrahl ausgelöstes oder beeinflusstes Signal synchron gemessen wird. Weil die Bildinformation zeitlich kodiert ist, müssen viele Detektoren die Probe nicht selbst abbilden. Moderne Rasterelektronenmikroskope können mehr als ein Dutzend Detektoren besitzen und Primärelektronen, Sekundärelektronen, Röntgenstrahlung, sichtbares und UV-Licht sowie elektrische Ströme messen.

Ruhebildmikroskope bestrahlen einen Objektbereich mit einem feststehenden, breiten Elektronenstrahl. Ein Teil der vom Objekt ausgehenden Elektronen wird dann durch ein elektronenoptisches System zur Bilderzeugung benutzt. Dieser Modus funktioniert nur gut, wenn nach der Wechselwirkung mit dem Objekt genug Elektronen mit enger Energieverteilung vorhanden sind. Inelastisch gestreute Elektronen verlieren Energie und können das Bild stören, weil elektronenoptische Abbildungssysteme starke chromatische Aberrationen zeigen.

Nach der Geometrie unterscheidet man vor allem Transmission und Verfahren mit anderen Signalen. In Transmission werden schnelle Strahlelektronen nach dem Durchgang durch das Objekt zur Bilderzeugung verwendet. Die untersuchten Objektbereiche müssen sehr dünn sein, also elektronentransparent: bei üblichen Beschleunigungsspannungen maximal einige 100 nm für sehr grobe Auflösung, typisch unter 100 nm und für Hochauflösung maximal einige 10 nm. Transmissionselektronenmikroskope arbeiten meist im Ruhebildmodus; als Rastervariante gibt es das Raster-Transmissionselektronenmikroskop, kurz STEM.

Für kompakte Objekte nutzt man meist andere Signale als transmittierte Elektronen, besonders Sekundärelektronen oder Rückstreuelektronen. Dafür wird in der Regel das Rasterverfahren verwendet. Nach der Anzahl installierter Geräte sind REM/SEM die häufigsten Elektronenmikroskope, danach folgen TEM. Reine STEM-Geräte sind selten; bei vielen seit etwa Mitte der 1990er Jahre entwickelten TEM-Geräten ist der STEM-Modus aber als Betriebsart möglich. Außerdem gibt es spezielle Geräte wie das Feldelektronenmikroskop, bei dem das Objekt selbst die Kathode bildet und keine abbildende Optik verwendet wird.

REM, TEM und Analyseverfahren

Beim Rasterelektronenmikroskop wird ein dünner Elektronenstrahl über ein meist massives Objekt gerastert. Aus dem Objekt austretende oder rückgestreute Elektronen sowie andere Signale werden synchron gemessen. Der gemessene Strom bestimmt die Helligkeit des jeweiligen Bildpunktes. Häufig werden die Daten direkt auf Monitoren dargestellt, sodass der Bildaufbau in Echtzeit beobachtet werden kann.

Wichtige Signale im REM sind Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen. Sekundärelektronen sind niederenergetische Elektronen, die durch den Primärelektronenbeschuss freigesetzt werden. Sie ermöglichen sehr hohe Auflösung. Ein seitlich über dem Objekt angebrachter Standard-SE-Detektor erzeugt ein natürlich räumlich wirkendes Bild, weil die dem Detektor zugewandte Seite heller erscheint. Moderne REM können zusätzlich einen Inlens-Detektor besitzen, der ringförmig oberhalb des Objekts in der Säule sitzt und bei geringem Arbeitsabstand sehr hoch aufgelöste Bilder im Bereich weniger Nanometer ermöglicht.

Rückstreuelektronen stammen aus dem Primärstrahl und werden an Atomkernen in oder nahe der Objektoberfläche elastisch gestreut. Ihre Bildauflösung liegt je nach Primärenergie im Mikrometerbereich. Da schwere Elemente Elektronen stärker reflektieren als leichte, entsteht ein sogenannter Z-Kontrast. Z steht für die Ordnungszahl der Elemente. Damit lassen sich Rückschlüsse auf die chemische Natur der Objektoberfläche ziehen.

Weitere REM-Verfahren sind die Kathodolumineszenz, bei der durch Elektronenbeschuss ausgelöstes Licht gemessen wird, und die Elektronenrückstreubeugung. Mit Elektronenrückstreubeugung kann man die kristallographische Orientierung von Kristallen an der Oberfläche bestimmen, was in Werkstoffwissenschaft und Geologie wichtig ist. Die Elektronenmikrosonde ist ein spezielles REM für chemische Analysen im Mikrometerbereich, meist mit wellenlängendispersiver Röntgenanalyse oder energiedispersiver Röntgenanalyse. Ein ESEM kann bei relativ hohem Gasdruck in Objektnähe arbeiten und deshalb auch feuchte Objekte wie lebende Zellen oder wachsende Kristalle untersuchen.

Beim Transmissionselektronenmikroskop durchstrahlen Elektronen ein sehr dünnes Objekt. Die passende Dicke hängt von der Ordnungszahl der Atome, der Beschleunigungsspannung und der gewünschten Auflösung ab und reicht von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern. Je höher die Ordnungszahl und je niedriger die Beschleunigungsspannung ist, desto dünner muss das Objekt sein. Durch Änderung des Projektivlinsensystems kann statt eines Zwischenbildes auch die Brennebene der Objektivlinse vergrößert abgebildet werden; so entsteht ein Elektronenbeugungsbild, mit dem sich die Kristallstruktur bestimmen lässt.

TEM-Geräte können durch Analyseverfahren erweitert werden. Energiedispersive Röntgenanalyse, EDX oder EDS, und Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie, EELS, dienen zur Bestimmung der Konzentration und Verteilung chemischer Elemente. Bei der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie, EFTEM, werden meist Bilder aus inelastisch gestreuten Elektronen bestimmter charakteristischer Energien aufgezeichnet, wodurch Elementverteilungen schnell bestimmt werden können.

Abbildungsfehler und Probenvorbereitung

Reale Linsen verhalten sich nicht ideal. Solche Abweichungen heißen optische Aberrationen. In der Elektronenoptik sind sie besonders wichtig, weil elektronenoptische Linsen nicht wie gute Lichtoptiken durch Materialwahl und Formgebung nahezu fehlerfrei gestaltet werden können. O. Scherzer zeigte 1936, dass rotationssymmetrische magnetische Linsen zwangsläufig starke sphärische Aberrationen besitzen. Mit magnetischen Multipolelementen können solche Fehler teilweise korrigiert werden, zum Beispiel mit einem C_s-Korrektor oder einem Stigmator.

Da Aberrationen vom aktuellen Zustand der Linse abhängen, etwa von Temperaturverteilung und Justage, müssen sie zeitnah gemessen und korrigiert werden. Ein Messverfahren für TEMs ist das Zemlin-Tableau. Dabei werden Bilder amorpher Folien, meist amorpher Kohlenstoff, unter verschiedenen Strahlkippungen aufgenommen und ihre Power-Spektren in einem Tableau angeordnet. Damit können paraxiale Aberrationen gemessen und das Mikroskop genau justiert werden.

Die Vorbereitung der Probe ist ein zentraler Teil der Elektronenmikroskopie. Für ein normales REM sollte die Probe leitfähig sein oder mit einer leitfähigen Schicht überzogen werden, wenn keine speziellen Techniken verwendet werden. Für die Transmissionselektronenmikroskopie müssen Objekte meist auf eine maximale Dicke von 10–100 nm gebracht werden; in besonderen Fällen genügt etwa 1 µm. Massive Oberflächen können im TEM indirekt untersucht werden, indem ein durchstrahlbarer Kohlenstoffabdruck hergestellt wird.

Als Nachteile gelten die aufwendige Objektvorbereitung und mögliche Artefakte. Artefakte sind Strukturen, die nur durch die Präparation entstanden sind und nicht zum eigentlichen Objekt gehören. Außerdem können Elektronenstrahlen Proben schädigen, etwa durch Erwärmung, durch das Wegstoßen ganzer Atome nach Kollisionen oder durch Einschuss von Fremdatomen aus dem Vakuum. Das Vakuum, notwendige Trocknung und Fixierung sowie sehr feines Schneiden machen es außer beim ESEM unmöglich, ein lebendes Objekt zu mikroskopieren. Elektronenmikroskope sind außerdem teuer in Anschaffung und Unterhalt und stehen deshalb vor allem in Forschungsinstituten und Dienstleistungsunternehmen.

Historische Entwicklung

Die Entwicklung begann mit elektronenoptischen Grundlagen. Hans Busch entwickelte 1926 die erste auf magnetischen Kräften beruhende Linse. 1931 bauten Ernst Ruska und Max Knoll ein erstes TEM, damals auch Übermikroskop genannt. Zunächst bildeten sie testweise kleine Metallgitter ab. Ruska erhielt dafür 1986 den Physik-Nobelpreis. Er und Bodo von Borries entwickelten 1938 das erste kommerzielle Elektronenmikroskop, das bald in Medizin und Biologie eingesetzt wurde.

Reinhold Rüdenberg baute etwa zeitgleich ein elektrostatisches Elektronenmikroskop und erhielt 1931 ein Patent. Ladislaus Marton schlug 1934 die Kontrastierung biologischer Objekte mit Osmiumsäure vor. Manfred von Ardenne baute 1937 das erste STEM. Das erste sowjetische Elektronenmikroskop wurde 1940 von Wiktor Werzner gebaut.

Anfangs war die Untersuchung lichtmikroskopisch unsichtbarer Krankheitserreger, besonders Viren, ein wichtiger Antrieb. Später gewann die Materialwissenschaft an Bedeutung, nachdem Robert D. Heidenreich 1949 die Präparation dünner durchstrahlbarer Metallfolien gelang. In den 1960er Jahren wurden TEMs mit immer höheren Beschleunigungsspannungen entwickelt, bis zu 3 MV, um dickere Objekte durchstrahlen zu können. In diesem Jahrzehnt wurde erstmals atomare Auflösung erreicht.

Seit den späten 1980er und 1990er Jahren wurden ESEM, Schottky-Feldemitter, FESEM und computergestützte Justage wichtiger. Computer sind besonders für die Aberrationskorrektur mit magnetischen Multipollinsen unverzichtbar. Anfang 2008 wurde das aberrationskorrigierte Transmissionselektronenmikroskop „TEAM“ mit einer Auflösung von 0,05 nm angekündigt. 2020 wurde im Zusammenhang mit dem Kavli-Preis für Nanotechnologie an Maximilian Haider und andere eine Rekordauflösung von 0,043 nm genannt, weniger als der Atomdurchmesser von Wasserstoff. Für die Kryo-Elektronenmikroskopie erhielten Jacques Dubochet, Richard Henderson und Joachim Frank 2017 den Nobelpreis für Chemie.