Rasterelektronenmikroskopie (SEM)

Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) ist eine leistungsstarke Technik, die in der Chemie und Materialanalyse eingesetzt wird und bei der ein gescannter Elektronenstrahl verwendet wird, um die Oberflächenstruktur und die chemische Zusammensetzung einer Probe zu analysieren.

Moderne Lichtmikroskope sind durch die Wechselwirkung von sichtbaren Lichtwellen mit einem Objekt begrenzt, die als Beugung bezeichnet wird. Der kleinste auflösbare Abstand zwischen zwei Objekten bzw. die laterale Auflösung variiert je nach Größe des Beugungsmusters im Vergleich zur Objektgröße. Dadurch haben Lichtmikroskope eine maximale Vergrößerung von bis zu 1.000x und eine laterale Auflösung von bis zu 200 nm im Idealfall.

REM ist nicht durch Beugung begrenzt, da es einen Elektronenstrahl anstelle von Licht verwendet. Daher kann ein REM Vergrößerungen von bis zu einer Million X mit einer lateralen Auflösung von unter Nanometern erreichen. Darüber hinaus ist das REM nicht nur auf die Abbildung von Merkmalen in der Fokusebene beschränkt, wie es bei der Lichtmikroskopie der Fall ist. So werden Objekte außerhalb der Fokusebene aufgelöst, im Gegensatz zur Lichtmikroskopie, wo sie verschwommen erscheinen. Dies ermöglicht eine bis zu 300-fach größere Schärfentiefe mit REM.

Chemiker verwenden REM häufig, um die Oberflächenzusammensetzung, -struktur und -form von nanoskaligen Einheiten, wie z. B. Katalysatorpartikeln, zu analysieren.

? In diesem Video werden die Prinzipien des REM-Instruments erläutert und die Grundlagen der Vorbereitung und des Betriebs von REM-Proben im Labor demonstriert.

Im REM müssen die Proben für die konventionelle Bildgebung leitfähig sein. Nichtleitende Proben werden mit einer dünnen Schicht aus Metall, wie z. B. Gold, beschichtet. Die Bilder werden dann erzeugt, indem ein fokussierter Strahl hochenergetischer Elektronen über die Probe abgetastet wird.

Der Elektronenstrahl, der im REM verwendet wird, wird von einer Elektronenkanone erzeugt, die mit einer Wolframfilament-Kathode ausgestattet ist. Die Elektronen werden durch ein elektrisches Feld in Richtung der Probe zur Anode geschleudert.

Der Elektronenstrahl wird dann an Kondensorlinsen fokussiert und tritt in die Objektivlinse ein. Die Objektivlinse muss vom Benutzer kalibriert werden, um den Elektronenstrahl auf eine feste Position auf der Probe zu fokussieren. Der fokussierte Strahl wird dann mit einem Raster über die Probe abgetastet.

Wenn die Primärelektronen mit der Probe wechselwirken, tunneln sie in eine Tiefe, die von der Elektronenstrahlenergie abhängt. Diese Wechselwirkung mit der Oberfläche führt zur Emission von Sekundär- und Rückstreuelektronen, die dann von ihren jeweiligen Detektoren gemessen werden.

Die Signalintensität der emittierten Sekundärelektronen variiert je nach Winkel der Probe. Oberflächen, die senkrecht zum Strahl stehen, setzen weniger Sekundärelektronen frei und erscheinen daher dunkler. Am Rand von Oberflächen werden mehr Elektronen freigesetzt und der Bereich erscheint heller. Dieses Phänomen erzeugt Bilder mit einem gut definierten 3D-Erscheinungsbild, wie in diesem REM-Scan von Asbest gezeigt.

Im Gegensatz dazu werden rückgestreute Elektronen in die entgegengesetzte Richtung des Elektronenstrahls reflektiert. Die Detektionsintensität nimmt mit zunehmender Ordnungszahl der Probe zu, was die Erfassung von Informationen über die Zusammensetzung einer Oberfläche ermöglicht, wie in diesem Rückstreubild von Einschlüssen in Glas gezeigt.

Nachdem nun die Prinzipien des REM-Instruments skizziert wurden, wird die grundlegende Funktionsweise eines REM im Labor demonstriert.

Beginnen Sie mit dem Sputtern der Probe, indem Sie sie auf einen Probenstummel legen. Stellen Sie sicher, dass die Probe vollständig trocken und entgast ist. Falls erforderlich, kann doppelseitiges leitfähiges Kohlenstoffband verwendet werden, um die Probe auf dem Stummel zu kleben. Geben Sie die Probe in ein Sputtersystem. Sputtern Sie einige Nanometer Gold auf die Probe. Die Dicke der Goldschicht variiert je nachdem, ob die Beschichtung die Morphologie der Probe beeinträchtigt.

Entnehmen Sie die Probe aus dem Sputtersystem. Stellen Sie sicher, dass eine leitfähige Brücke von der Probenoberfläche zum Metallstummel vorhanden ist.

Sobald die Probe beschichtet ist, kann sie abgebildet werden. Entlüften Sie dazu zunächst die REM-Probenkammer und lassen Sie die Kammer den Nenndruck erreichen.

Öffnen Sie das REM-Probenfach, und entfernen Sie den Probentisch. Setzen Sie den Stummel auf den Probentisch und ziehen Sie den Stummel fest.

Wenn der Abstand zwischen Objektiv und Probe, der als Arbeitsabstand bezeichnet wird, nicht von der Software gesteuert werden kann, stellen Sie sicher, dass der Tisch und der Stummel die richtige Höhe haben, um ein Bild zu erhalten.

Setzen Sie den Probentisch in die Probenkammer ein und schließen Sie das Fach.

Schalten Sie die Vakuumpumpen ein und lassen Sie das System abpumpen.

Um mit dem Imaging zu beginnen, öffnen Sie die REM-Software. Wählen Sie die gewünschte Betriebsspannung im Bereich von 1-30 kV. Bei Materialien mit hoher Dichte sollten höhere Beschleunigungsspannungen verwendet werden. Wählen Sie eine niedrige Beschleunigungsspannung für Materialien mit geringer Dichte.

Die meisten SEM-Software enthält eine Autofokus-Funktion. Dadurch wird ein Schwerpunkt der Stichprobe ermittelt, der als Ausgangspunkt verwendet werden kann.

Stellen Sie die Vergrößerung auf die minimale Zoomstufe von 50X ein.

SEM verfügt über verschiedene Scanmodi, z. B. schneller Scan und langsamer Scan. Der schnellere Scan-Modus bietet eine schnellere Bildwiederholfrequenz des Bildschirms bei geringerer Qualität. Wählen Sie den Schnellscan-Modus, um zu beginnen, um die Probe zu finden und mit der Grobfokussierung zu beginnen.

Passen Sie den Kursfokus an, bis das Bild schärfer wird. Passen Sie als Nächstes die Positionierung der Bühne so an, dass der gewünschte Bereich auf dem Display zu sehen ist.

Fokussieren Sie zunächst mit dem Grobfokus auf die niedrigste Vergrößerung. Erhöhen Sie dann die Vergrößerungsstufe, bis das gewünschte Merkmal beobachtet wird. Passen Sie den Kursfokus so an, dass das Bild bei dieser Vergrößerung ungefähr fokussiert wird. Stellen Sie bei Bedarf einen groben Fokus ein, wenn die Vergrößerung erhöht wird.

Passen Sie dann den Feinfokus an, um das Bild weiter zu verbessern. Wiederholen Sie diese Fokussierungsschritte jedes Mal, wenn die Vergrößerung erhöht wird.

Asymmetrische Strahlverzerrungen können zu einer Unschärfe des Bildes führen, die als Astigmatismus bezeichnet wird, selbst wenn die Probe gut fokussiert ist. Um diesen Effekt zu verringern, erhöhen Sie die Vergrößerung auf die maximale Stufe und fokussieren Sie das Bild mit dem Feinfokus. Passen Sie dann die Stigmatisierung sowohl in x- als auch in y-Richtung an, um die Form des Strahls zu ändern.

Passen Sie die Einstellungen für Fokus und Stigmatisierung so lange an, bis das Bild bei erhöhter Vergrößerung so scharf wie möglich ist.

Kehren Sie dann zur gewünschten Vergrößerungsstufe zurück.

Das REM-Bild kann entweder im "Slow Photo"- oder im "Fast Photo"-Modus aufgenommen werden. Der Modus "Schnelles Foto" erzeugt ein Bild mit geringerer Qualität, wird aber schneller aufgenommen. Der Modus "Slow Photo" erzeugt ein Bild mit höherer Qualität, kann aber die Oberfläche mit Elektronen sättigen.

Um Merkmale innerhalb des aufgenommenen Bildes zu messen, verwenden Sie die Messwerkzeuge der Software.

Die meisten Geräte verfügen über Messoptionen wie Länge, Fläche und Winkel.

Um die Länge zu bestimmen, wählen Sie den Abstand aus, der auf dem REM-Bild gemessen werden soll. Klicken Sie auf das Bild, um die Referenzpunkte zu erstellen, die von der Software analysiert werden.

Wenn Sie fertig sind, schalten Sie das REM gemäß den Richtlinien des Herstellers ab.

Die Rasterelektronenmikroskopie wird eingesetzt, um eine Vielzahl von Proben abzubilden.

REM kann verwendet werden, um komplexe und stark strukturierte Materialien, wie z. B. eine Kohlefasermembran, abzubilden.

Die Probe zeigte ein hohes Maß an Porosität und dreidimensionaler Struktur; Eine Eigenschaft, die für Anwendungen wie die Katalyse sehr wünschenswert ist.

Das REM kann auch zur Abbildung biologischer Proben, wie z. B. Bakterien, verwendet werden. In diesem Beispiel wurden die haarähnlichen Anhängsel oder Pili von Darmbakterien mit REM abgebildet.

Helicobacter pylori wurden auf Blutagarplatten gezüchtet und die Bakterien auf Glasabdeckfolien ausgesät.

Vollständig getrocknete Proben wurden montiert und mit 5 nm Palladium-Gold beschichtet, um die Probe leitfähig zu machen.

Schließlich wurde die Probe mit REM abgebildet. H. pylori waren gut sichtbar, mit messbaren nanoskaligen Pili.

Dieses Beispiel beschreibt, wie Hirngewebe in ein stabiles Harz eingebettet und dann mit einem fokussierten Ionenstrahl und REM dreidimensional abgebildet werden kann.

Zuerst wurde Hirngewebe fixiert und in Harz eingebettet. Dann wurde die Region of Interest identifiziert und mit einem Mikrotom in Scheiben geschnitten.

Die Probe wurde dann in das fokussierte Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskop für die dreidimensionale Abbildung eingeführt. Der fokussierte Ionenstrahl wurde dann verwendet, um nacheinander dünne Schichten der Probe zu entfernen. Jede Schicht wurde vor der Entnahme mit Rückstreu-REM abgebildet.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Rasterelektronenmikroskopie gesehen. Sie sollten nun die grundlegenden Funktionsprinzipien von REM verstehen und wissen, wie eine REM-Probe vorbereitet und analysiert wird.

Danke fürs Zuschauen!