Die Rasterelektronenmikroskopie (im Folgenden: REM) ist ein Fachgebiet zur Analyse von Mikrostrukturen in hoher Auflösung. Möglich sind damit REM-Aufnahmen von vergrößert abgebildeten Oberflächen eines Objekts. Ebenfalls können damit Materialanalysen durchgeführt und mit der Röntgenmikroanalyse (im Folgenden: EDX) Materialzusammensetzungen bestimmt werden. Messungen sind selbst bei Schichtdicken von wenigen Nanometern präzise möglich.
Funktionsweise von Rasterelektronenmikroskopen
Der Mikroskop-Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops ist in wenigen Komponenten mit dem anderer Mikroskope vergleichbar. Allerdings ermöglicht die Vergrößerung über Elektronenstrahlen viel stärkere Kontraste und genauere Details. So erklärt sich die Funktionsweise, auch anhand von Anwendungsbeispielen aus der EDX-Analyse:
Aufbau und Funktionsweise eines Rasterelektronenmikroskops
Elektronenstrahlung ist um ein Vielfaches kürzer als Lichtstrahlung. Das bedeutet beim Rasterelektronenmikroskop für die Ansicht von REM-Strukturen detaillierte Abbildungen bis zur Länge von 0,1 Nanometern (10 hoch minus 6 Millimeter). Der Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops ist vierteilig. Zentrum ist eine Probenkammer, die sich luftdicht verschließen lässt. Darinnen bewegt ein externes Steuerrad den Probenteller in beliebige Richtungen. Von der darunter befindlichen Vakuumpumpe wird ein luftleerer Raum während des Betriebs erzeugt. In dieser Umgebung entstehen für die Abbildung scharfe Kontraste und feine Details. Die Elektronenstrahlen aus Primär-Elektronen werden in einem darüber befindlichen zylindrischen Aufbau erzeugt. Über Verstärker wird der Strahl zu einer besonders feinen Stärke gebündelt. Beim Auftreffen auf das Objekt werden die zurückgestrahlten Sekundär-Elektronen von einem Detektor aufgefangen. Eine Abbildung entsteht, indem der Strahl das Objekt in einem Raster abfährt und über die Software zu einem Bild am Monitor zusammengesetzt wird.
Anwendungsbeispiele der mikroskopischen Darstellungen mittels EDX-Analyse
Die EDX-Analyse mit dem Rasterelektronenmikroskop wird für ALD-Filme, Schichtsysteme, Glas, organische Schichten oder filmische Verunreinigungen angewendet. Mit der Methode lassen sich kleinste Materialmängel oder mikroskopisch kleine Defekte feststellen, oft lange vor tatsächlich eintretenden Schäden an Werkstoffen oder großen Bauteilen. Halbleiter kommen in einer Vielzahl elektronischer Geräte vor. Diese sind umso länger leistungsfähig, je reiner die verwendeten Ausgangsmaterialien sind. Daher sind EDX-Analysen ein wichtiger Teil der Qualitätssicherung. Weitere Anwendungsbeispiele sind Analysen von Haftversagen, Korrosion oder organischer Schichten.
Praktische Einsatzbereiche für die Rasterelektronenmikroskopie
Der medizinische Dienst an Menschen ist nur so erfolgversprechend wie die sauberen, lange funktionstüchtigen Stoffe. Beispielsweise wird die Oberflächenbeschaffenheit von Implantaten analysiert oder sterile Skalpell-Klingen charakterisiert. Sterile Transportflüssigkeiten und Rückstände bzw. Partikel in Kanülen sind ebenfalls häufige Analysematerialien. In fixierten Gewebeschnitten oder Einzelzellen lässt sich die Lateralverteilung von Aminosäuren oder Lipiden darstellen. Wichtig ist in jeder Branche für die Methode der Rasterelektronenmikroskopie stets die Fragestellung. Je spezieller diese ist, desto konkreter können Analyseergebnisse die gewünschte Antwort liefern. Weitere Einsatzbereiche (beispielhafte Aufzählung) sind:
- Analyse von Metallen, Lacken und Coatings
- Qualitätsmanagement im Nanobereich für die Automobilindustrie
- Katalyse, Polymere und Kunststoffe
- Glas und optische Komponenten
- Speichermedien und elektronische Einbaukomponenten
- Health Care (Pharma)
Fazit
Mit den Methoden der Rasterelektronenmikroskopie lassen sich mögliche und vorhandene Fehlerquellen und Defekte an Mikrostrukturen erkennen. Die EDX-Analyse mit der Genauigkeit im Nanobereich wird in allen Branchen der Industrie sowie im medizinischen und wissenschaftlichen Sektor immer wichtiger. Der Vorteil der gelieferten Analyse-Abbildungen ist die Möglichkeit für künftige Verbesserungen.
