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Orientierung

Das Rasterelektronenmikroskop (Abgekürzt REM) gehört zur Familie der Elektronenmikroskope. Elektronenmikroskope sind Geräte bei denen mit einem Elektronstrahl die Oberfläche des zu charakterisierenden Stoffes abgerastert und aus den entstehenden Informationen ein Bild errechnet wird. Grundlegend kann man sich das Prinzip des Rasterelektronenmikroskops wie folgt vorstellen: Spritzt man mit einem Wasserstrahl auf eine Wand, beispielweise aus einem Wasserschlauch, so spritzt das Wasser von der Wand zurück. Wie das Wasser zurückspritzt ist abhängig von der Beschaffenheit der Wand. Würde man nun die Informationen des zurückspritzenden Wassers bestimmen, wie z.B. die Geschwindigkeit oder der Winkel, so könnte man anhand dieser Informationen Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Wand ziehen. Allerdings verwendet das Rasterelektronenmikroskop, wie oben bereits beschrieben, kein Wasserstrahl, sondern einen Elektronenstrahl. Mit Hilfe dieses Prinzips kann das REM somit die äußere Gestalt von Nanopartikeln, wie z.B. die Oberfläche oder die Größe der Partikel, charakterisieren.

Erklärung

Um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, wird eine Kathode, in den meisten Fällen bestehend aus einem Wolfrahmdraht, durch einen elektrischen Heizstrom erhitzt, wodurch Elektronen emittiert werden (thermische Emission). Diese freien Elektronen werden daraufhin durch einen Wehnelt-Zylinder gebündelt und durch die angelegte Spannung in Richtung der Anode beschleunigt. Der erzeugte Elektronenstrahl wird daraufhin durch zwei elektromagnetische Linsen (Kondensorlinsen), die aus stromdurchflossenen Spulen mit einem Weicheisenkern bestehen, gebündelt. Mit den Ablenkspulen, innerhalb der Objektivlinse, wird anschließend der gebündelte Elektronenstrahl gelenkt und über die Oberfläche der Probe gerastert. Dies kann in folgender Abbildung nachvollzogen werden.

 

Abbildung 1: Funktionsschema eines Rasterelektronenmikroskops (Quelle: http://www.tf.uni-kiel.de/servicezentrum/neutral/praktika/anleitungen/b504.pdf)

Trifft nun der gebündelte Elektronenstrahl (Primärelektronen) auf die Probe, so entstehen Wechselwirkungen zwischen den Primärelektronen und der Probenoberfläche. Bei diesen Wechselwirkungen entstehen Rückstreuelektronen und Sekundärelektronen. Rückstreuelektronen sind Primärelektronen, die durch das Coulomb-Feld der Atomkerne abgelenkt werden und anschließend aus der Probe austreten. Treten Primärelektronen in Wechselwirkung mit Elektronen der Atomhülle, geben sie dabei einen Teil der Energie ab, wodurch die Elektronen der Atomhülle aus der Probe austreten (Sekundärelektronen). Diese Rückstreuelektronen und Sekundärelektronen werden von einem Detektor detektiert und in Informationen umgewandelt. Anschließend werden mit Hilfe eines Computers die Informationen in ein Hell-Dunkel-Bild verwandelt. Solch ein Hell-Dunkel Bild von Goldnanopartikeln ist in folgender Abbildung dargestellt.

 

Abbildung 2: Aufnahme von Goldnanopartikeln mit dem Rasterelektronenmikroskop (Quelle: Eigene Darstellung)

Letztendlich ist festzuhalten, dass sich die einzelnen Bauelemente und der Elektronenstrahl in einem Vakuum befinden. Dadurch wird verhindert, dass die Elektronen mit Gasteilchen in der Luft zusammenstoßen, wodurch die Messdaten verfälscht werden würden.

Handlungswissen

Das REM ist eine sehr kostenintensive und zugleich anfällige Charakterisierung. Daher solltet ihr die zuständigen Laborassistenten vor Ort über das Vorgehen befragen. Möchtet ihr die äußere Gestalt eurer synthetisierten Nanopartikel mit Hilfe des REM charakterisieren, so sollten folgende Punkte beachtet werden:

1. Die Probe eurer synthetisierten Nanopartikel muss vakuumstabil sein, da die Untersuchung im Hochvakuum stattfindet. (Hilfe bekommt ihr dabei durch die Laborassistenten)

2. Während der Charakterisierung könnt ihr den Zoom-Faktor und den genauen Bereich mit Hilfe eines Bedienungselements verändern. In den meisten Fällen ist dies ein Joystick.

3. Sucht damit einen Bereich indem die Eigenschaften, die ihr charakterisieren möchtet, deutlich zu erkennen sind.

4. Da die Zeit am REM kostbar ist, sollen die entstandenen Bilder im Nachhinein ausgewertet werden. Somit müssen die Dateien der Bilder auf einen Stick gezogen werden.

Aufgabe

Welche der folgenden Aussagen treffen auf das Rasterelektronenmikroskop zu?

1. Die Oberfläche der Nanopartikel wird mit einem Wasserstrahl abgerastert.

2. Die thermische Emission der Elektronen erfolgt in der Anode.

3. Der Elektronenstrahl wird mit Hilfe von Kondensorlinsen gebündelt und anschließend durch Ablenkspulen gelenkt.

4. Durch die Informationen der detektierten Rückstreu- und Sekundärelektronen wird ein Hell-Dunkel-Bild errechnet.

5. Die Baudelemente des REM müssen sich nicht in einem Vakuum befinden, da die Elektronen des Elektronenstrahls kleiner sind als die Luftmoleküle.

Quellen für weitere Recherchen

Universität Kassel: Funktionsweise des REM

Universität Kiel: Rasterelektronenmikroskopie

Wikipedia: Rasterelektronenmikroskop

YouTube Video: Prinzip eines REM

YouTube Video: Geschichte der Elektronenmikroskope

Literatur

o.V. (2014a): Rasterelektronenmikroskopie. Kiel, Online verfügbar unter http://www.tf.uni-kiel.de/servicezentrum/neutral/praktika/anleitungen/b504.pdf, (Zugriff: 17.06.2014)

o.V. (2014b): Rasterelektronenmikroskop. Wikipedia, Online verfügbar unter http://de.wikipedia.org/wiki/Rasterelektronenmikroskop, (Zugriff: 17.06.2014)

 

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