Einführung zum Praktikumsversuch · CTEM Conventional transmission electron microscopy EBIC...

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1 Einführung zum Praktikumsversuch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Dr. Günter Völksch Institut für Glaschemie

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Einführung zum Praktikumsversuch

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

Dr. Günter Völksch

Institut für Glaschemie

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λ = =⋅ ⋅ +

hp

h

m E EE

2 100

dnmin =

⋅0 61,

sinλ

α

Physikalischer Hintergrund:Der kleinste auflösbare Abstand im Lichtmikroskop wird durch die Beugung an dengeometrischen Strahlbegrenzungen bestimmt:

Entsprechend den Gegebenheiten für λ ( > 300 nm) und n·sin α ($1,5) sind demnachStrukturen unter einigen 100 nm lichtoptisch nicht mehr abbildbar.Elektronen kann man sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften zuordnen (De Broglie).Es lassen sich aus der kinetischen Energie der Elektronen Wellenlängen berechnen, die ummehrere Größenordnungen kleiner sind als die des Lichtes.

m0 = Ruhemasse des Elektrons; E0 = m· c2; h = Plancksches Wirkungsquantum

Energie [keV] Wellenlänge [pm] Masse [m/m0] Geschwindigkeit [v/c]

100 3,70 1,196 0,548

200 2,51 1,391 0,696

300 1,97 1,587 0,777

400 1,64 1,783 0,829

1000 0,87 2,957 0,942

Elektronenwellen lassen sich in elektrischen und magnetischen Feldern fokussieren (Lorentz-Kraft). Erzeugt man solche Felder durch geeignete Spulen (rotationssymmetrische Felder),lassen sich diese - wie Glaslinsen für Licht - als Linsen für die Elektronen verwenden.Die notwendigen freien Elektronen werden im Vakuum durch thermische oder Feldemissiongewonnen.

Werden elektronentransparante Festkörperproben (Dicke bis einige 10 nm) mitenergiereichen Elektronen (100 keV bis einige MeV; im Otto-Schott-Institut: 200 keV)bestrahlt, finden elastische und unelastische Streuprozesse an den Atomen des Festkörpersstatt. Sie verändern die Verteilung der Elektronen hinter der bestrahlten Probe (Abb. 1) undführen unter Verwendung der Linseneigenschaften der Spulen zu einem mehr oder wenigerkontrastreichen Bild auf dem Bildschirm. In der Helligkeitsverteilung dieses Bildes ist diegesamte strukturelle und chemische Information des untersuchten Materials enthalten.Neben der Abbildung können mit analytischen Verfahren (energiedispersiveElektronenstrahlmikroanalyse - EDX - und Elektronenenergieverlustspektroskpie - EELS)chemische Informationen gewonnen werden.

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Allgemeines:Elektronenoptische Methoden zur Charakterisierung submikroskopischer Strukturen werdenauf vielen Gebieten der naturwissenschaftlichen, technischen und medizinischen Forschungeingesetzt.Im Zusammenhang damit wird in der Literatur eine Unzahl verschiedener Abkürzungenverwendet, von denen eine Auswahl nachfolgend aufgelistet ist:

AE AugerelektronenAES AugerelektronenspektroskopieARM Atomic resolution microscopyBSE Backscattered electronsCL CathodoluminescenceCSEM Conventional scanning electron microscopyCTF Contrast transfer functionCTEM Conventional transmission electron microscopyEBIC Electron beam induced currentEDS Energy dispersive X-ray spectrometryEDX Energy dispersive X-ray analysisEELS Electron energy loss spectrometryEFTEM Energy filtering transmission electron microscopyEMPA Electron microprobe analysisEPMA Electron probe microanalysisESEM Environmental scanning electron microscopyESMA ElektronenstrahlmikroanalyseFEG Field emission gunFESEM Field emission environmental scanning electron microscopyHRTEM High resolution transmission electron microscopyHV Hochvakuum, high vacuum

High voltageHVEM High voltage electron microscopyKL KathodolumineszenzLVEM Low voltage scanning electron microscopy

Low vacuum scanning electron microscopyRE RückstreuelektronenREM RasterelektronenmikroskopieSE Sekundärelektronen, secondary electronsSEM Scanning electron microscopySTEM Scanning transmission electron microscopyTEM Transmissionselekronenmikroskopie

Transmission electron microscopyUHV UltrahochvakuumWDS Wavelength dispersive X-ray spectrometryWDX Wavelength dispersive X-ray analysisTMBA Too many bloody acronyms (Williams, Carter: 1996)

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Elektronenmikroskopie im Institut für Glaschemie:

Rasterelektronenmikroskop:

DSM 940A (Zeiss)mitEDX (eXL10/Oxford Instruments), WDX (3-PC/Microspec)

Geräteparameter: - max. Beschleunigungsspannung: 30 kV - 5-Achsen-Goniometer: Kippwinkel: +15° bis - 90° (1 Achse) - Probenverschiebung: 75 mm in x- und y-Richtung - Punktauflösung: 4,5 nm (SE), 10 nm (BSE) - Energieauflösung des EDX-Systems: 138 eV

Transmissionselektronenmikroskop:

H8100-II (Hitachi)mitEDX (ISIS/Oxford Instruments)

Geräteparameter: - Beschleunigungsspannung: bis 200 kV - Kippwinkel um x- und y-Achse: ± 30° - Punktauflösung: 2,3 Å - Netzebenenauflösung: 1,7 Å - Energieauflösung des EDX-Systems: 142 eV

Präparationstechnik für REM und TEM:

- Bedampfungsanlage: auto 306 (Edwards)- Sputteranlage: auto 306 (Edwards)- Parallelschleifeinrichtung: Minimet 1000 (Wirtz-Buehler)- Fadensäge: Modell 3242 (Well)- Ultraschallkernschneider: Model 601 (Gatan)- Dimpler: Model 656 (Gatan)- Ionendünnungsanlage: 2 Stück RES 010 (Bal Tec)

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Auswahl an Literatur zur Transmissionselektronenmikroskopie(verfügbar im Otto-Schott-Institut)

M.A. Hirsch, A. Howie, R. Nicholson, D.W. Pashley, M.J. WhelanElectron microscopy of thin crystalsKrieger Publishing Company, Malabar (Florida), 1977

V.A. DritsElectron-diffraction and high resolution electron microscopy of mineral structuresSpringer Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 1981

L. ReimerTransmission electron microscopySpringer Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 1984

P.J. GoodhewThin foil preparation for electron microscopyElsevier, Amsterdam, 1985

P.R. Buseck, J.M. Cowley, L. EyringHigh-resolution transmission electron microscopyOxford University Press, 1988

J.C.H. SpenceExperimental high-resolution electron microscopyOxford Press, 1988

D.J. O'Connor, B.A.Sexton, R.St.C. SmartSurface analysis methods in materials scienceSpringer Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 1992

E. Hornbogen, B. SkrotzkiWerkstoff-MikroskopieSpringer Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 1995

L. ReimerEnergy filtering transmission electron microscopySpringer Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 1995

D.B. Williams, C.B. CarterTransmissiom electron microscopyPlenum Press, New York/London, 1996

B. Fultz, J.M. HoweTransmission electron microscopy and diffractometry of materialsSpringer Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 2001

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Während das Auflösungsvermögen des Lichtmikroskops allein durch die Beugungseffekte anden Rändern der Linsen und Blenden begrenzt ist (Abbésche Theorie), beim bestimmen beimElektronenmikroskop die Linsenfehler das Auflösungsvermögen. Es ist bisher nicht möglich,elektromagnetische Linsen mit vergleichbarer Abbildungsqualität herzustellen. Die optimaleApertur im Elektronenmikroskop ist sehr klein (10-3 bis 10-2). Der prinzipelle Aufbau vonLicht- und Elektronenmikroskop für Durchstrahlung ist aber gleich (Abb. 2).

Ein grundsätzlicher Unterschied besteht allerdings darin, daß für die Glaslinsen imLichtmikroskop deren Brennweite bei der Herstellung unveränderbar festgelegt wird,während bei elektromagnetischen Elektronenlinsen (d.h. Spulen) deren Brechkraft vom durchdie Spule fließenden Strom abhängt.Für die Ablenkung geladener Teilchen im elektromagnetischen Feld gilt:

Lorentz-KraftF q E v B→

=→

+→

×→

( )

Die magnetische Induktion B ist dabei:

( )B z

r I N

r zauf der Achse( ) =

+

µ 02

2 2 32

(ableitbar aus dem Biot-Savart‘schen-Gesetz) B B-Feld entlang der optischen Achse µ0 Induktionskonstante I Stromstärke N Windungszahl der Spule r Radius der Spule z Ortskoordinate entlang der optischen Achs

Für alle Teilchen muß gelten: Zentrifugalkraft = Zentripetalkraft

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r m ve B

m E EE

e B= ⋅

⋅=

+

2 1 20

0

Das führt für den Fall, daß die Geschwindigkeit nicht z und ï zur magnetischen Induktiongerichtet ist, zu einer Spiralbahn mit dem Radius r.

m Masse des Elektrons e Elementarladung m0 Ruhemasse des Elektrons 9,1091q10-31 kg E Energie des Elektrons E0 = m0 c2 = 511 keV

Für 100 kV, 1 Tesla û r = 1 mm

Da B durch den Stromfluß in der Spule erzeugt wird, läßt sich durch Ändern der Spannung ûdes Stromes in den Linsenspulen deren Brechkraft ändern. Das hat in der Praxis zur Folge,daß durch geeignete Wahl der Spulenspannungen neben der normalen Abbildung auchBeugungsmuster abbildbar sind (Abb.3). Unterschiedliche Strahlengänge sind im gleichenGerät realisierbar.

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Abb. 4: Das Hitachi H8100 - II im Otto-Schott Institut:

1 Elektronenquelle2 Kondensor-Linsen3 Justierbare Kondensor-Blende4 Probenschleuse5 zum Vakuum-System6 Justierbare Obejektiv-Blende7 Feinbereichsblende8 Projektiv-Linse

9 Beobachtungsmikroskop10 Beobachtungsfenster11 Probenverschiebung12 Photo-Kamera13 Monitor zur Datenanzeige14 linkes Bedienpult15 rechtes Bedienpult16 CCD-Kamera

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Das Vakuumsystem (Abb. 5) besteht aus- Turbomolekularpumpe (TMP, 340 l/s)- Öldiffusionspumpe (DP, 570 l/s)- 3 Drehschieberpumpen (RP, 160 l/min)

Die Bildregistrierung erfolgt auf Planfilmen - je 2 Bilder im Format 6 x 9 cm2 auf einenPlanfilm 9 x 12 cm2.

Für EDX-Analysen ist das Mikroskop mit einem ISIS-System der Firma Oxford Instrumentsausgestattet (Informationen zur Elektronenstrahlmikroanalyse: siehe Anleitung zumPraktikumsversuch „Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenstrahlmikroanalyse“).

Alle wesentlichen Bedienelemente befinden sich auf den beiden Bedienpulten rechts undlinks von der Säule. Vor dem Einschalten des Mikroskops sind die Kühlfalle auf derRückseite der Säule und das Dewar-Gefäß für die Antikontaminationseinheit mit flüssigemStickstoff zu füllen. Für das Aufheizen der Kathode (LaB6) muß man 20 bis 25 min.einplanen, sofern das Betriebsvakuum von etwa 10-7 hPa erreicht ist.

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Für den jeweils geplanten Verwendungszweck (Abbildung: Micro; Beugung, Analysen:Nano) ist der entsprechende Strahlengang auszuwählen (Abb. 6).

Als Probenhalter stehen zur Verfügung:- Standardprobenhalter für Einfachkippung (± 30°)- analytischer Probenhalter für Einfachkippung (± 30°)- Doppelkipphalter mit 2 senkrecht zueinander stehenden Kippachsen (± 30°)

Alle Teile der Probenhalter, die mit dem Vakuum des Systems in Berührung kommen, dürfennicht mit den Fingern berührt werden.

Abb. 7: Standardprobenhalter für Probendurchmesser 3mm

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SelbsttragendeProbe

Probe aufTrägernetz/-film

Eingebettete Probeauf Trägernetz

D ünnen bis zure--Transparenz:- m ech. schleifen- elektropolieren- chemisches Ä tzen- ionenätzen- focussed ion beam (FIB)

Blockschneiden

Dim peln

Schliff Schneiden Einbetten D ispergierenauf Trägerfilm

prim äres A bdünnen

D raufsicht Q uerschnitt

Bulk G renzflächen Partikel

Indirekte A bbildungD irekte Abbildung

U ltramikrotom

Replica

3 mm

TEM -Probenpräparation

Die Herstellung der Proben kann auf sehr unterschiedliche Weise erfolgen und ist in derRegel zeitaufwendig:

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Indirekte AbbildungDirekte Abbildung

Bulk Partikel

Bruch-flächen

„Dachkant“ Quer-schnitte

Einhüllenmit C

Auflösen derTeilchenAblösen

Dispergierenauf Glasplatte

Ablösenvon Glasplatte

Replica auf Trägernetz/-film

Ätzen

Reinigungsabzug

Pt/Ir-C aufdampfen

Replica

TEM-Probenpräparation

MoO3-Testfläche

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Durchführung des Praktikums:- Herstellung von Replica zur Abbildung eines phasengetrennten Borosilikat-Glases (geätzt, ungeätzt) Interpretation der Bilder (werden als digitale files zur Verfügung gestellt, da die Aufnahme photopraphisch erfolgt und jeweils 48 Bilder in einer Kassette belichtet sein müssen, bevor die Filme entwickelt werden)

- Demonstration der Direktpräparation (Die Präparation von durchstrahlbaren Objekten zur direkten Beobachtung ist sehr zeitaufwendig - > 1 Tag - und kann damit im Praktikum nicht durchgeführt werden.) Bereits vorhandene Proben (Glaskeramik) werden mikroskopiert und analysiert. Wie für den Fall der Replica-Abbildung liegen für das Protokoll bereits digitale Bilder analoger Proben vor.

Datentransfer:Die während des Praktikums anfallende Datenmenge kann 10 MB oder mehr erreichen. Bittedenken Sie vorher darüber nach, wie Sie diese Daten übernehmen können. Kostenlose e-mail-Provider lassen oft die Übermittlung derartiger Datenmengen nicht zu. Für jedenStudenten besteht die (ebenfalls kostenlose) Möglichkeit, sich beim Rechenzentrum einenAccount zu holen und dort die Daten zu speichern (Übermittlung als attached file an einer e-mail oder mit SSH).Ein ZIP-Laufwerk (250 MB) steht außerdem zur Verfügung und kann genutzt werden, wennSie die entsprechenden Datenträger mitbringen.