Die Elektronenmikroskopie (EM) kann zur visuellen Auswertung von Merkmalen eingesetzt werden, die für die Beobachtung mit einem optischem Mikroskop zu klein sind. Elektronenmikroskope verwenden Elektronen anstelle von sichtbarem Licht, um die Proben zu beleuchten. Elektronen haben eine kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht und ermöglichen daher eine höher auflösende Abbildung von Merkmalen, die bis zu 0,1 nm klein sind.
Die am häufigsten verwendeten EM-Techniken sind Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Die REM-Bildgebung ermöglicht die Visualisierung der Oberfläche einer Probe, indem die Probe mit einem Elektronenstrahl abgetastet wird, während bei der TEM-Bildgebung Elektronen durch die Probe transmittiert werden, wodurch die innere Struktur sichtbar gemacht werden kann. Obwohl beide Techniken für hochauflösende Bildgebung eingesetzt werden, unterscheiden sich ihre Anwendungen und Anforderungen an die Probenpräparation.
REM und TEM haben zahlreiche kommerzielle und wissenschaftliche Anwendungen, darunter:
Materialqualitätskontrolle und Fehleranalyse
Analyse biologischer Proben
Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen REM und TEM
Sowohl REM als auch TEM ermöglichen eine detailreiche Abbildung verschiedener Materialien, jedoch bestehen Unterschiede hinsichtlich der Probenanforderungen, der Probenpräparationsverfahren und der Art der Informationen, die aus der Probe gewonnen werden können. Die Auflösung ist ebenfalls ein wesentlicher Unterschied: Während das REM praktisch zur Abbildung von Strukturen im Bereich von 1 cm bis 10–30 Nanometern eingesetzt werden kann, ermöglicht das TEM die Abbildung von Strukturen bis hinunter zu 0,1 nm. Für die Beobachtung von Details oberhalb des Mikrometerbereichs ist die Lichtmikroskopie in der Regel eine kostengünstigere Option, wenngleich sie gewisse Einschränkungen aufweist, wie etwa eine geringe Tiefenschärfe.
Da das REM ein Werkzeug zur Oberflächenvisualisierung ist, gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich der Probendicke, solange die Proben klein genug sind, um auf dem Probenhalter befestigt zu werden. Nicht leitende Proben können während der Bildgebung eine Ladungsansammlung aufweisen, die zu Bildartefakten führen kann. Dies wird behoben, indem die Proben vorher mit einer dünnen Schicht eines leitfähigen Materials beschichtet werden. Typische Beschichtungsverfahren umfassen das Sputtern mit Gold, Gold-Palladium, Platin oder Kohlenstoff. Weitere Möglichkeiten zur Vermeidung von Aufladungen sind die Sicherstellung eines guten Kontakts der Probe mit dem Probenteller, beispielsweise durch die Verwendung von leitfähigem doppelseitigem Kohlenstoffklebeband oder Silberleitkleber. Bei einem normalen Hochvakuum-REM müssen die Proben vollständig trocken sein, aber moderne Kryo-REM- und Umgebungs-REM-Techniken ermöglichen auch die Abbildung nasser Proben.
Da das TEM einen Elektronenstrahl durch die Probe schickt, um ein Bild ihrer inneren Struktur und Form zu erzeugen, müssen die Proben ausreichend dünn sein, damit der Strahl sie durchdringen kann. In der Regel muss die Probe deutlich dünner als 100 nm sein, damit der Strahl sie passieren kann. Größere Partikel oder Materialien können ebenfalls abgebildet werden, erscheinen jedoch als vollständig dunkle Bereiche im Bild, sodass nur die Form bestimmt werden kann. Dünne Proben können mit fortschrittlichen Schneidtechniken hergestellt werden, wie z. B. der Focused Ion Beam (FIB)-Präparation oder der Mikrotomie.
Obwohl keine der beiden Techniken grundsätzlich destruktiv ist, müssen REM-Proben in einigen Fällen für eine bessere Bildgebung behandelt werden, und die TEM erfordert die Präparation von Ultradünnschnitten. Daher ist die Rückgabe der Proben nicht immer gewährleistet.
Sowohl REM als auch TEM können in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) eingesetzt werden, die die Identifizierung der chemischen Elemente in der Probe ermöglicht. EDX liefert jedoch keine Informationen über die chemische Bindung, Oxidationszustände oder Valenzen der nachgewiesenen Elemente. Diese können mit Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS), die mit TEM kombiniert werden kann, oder durch andere Techniken ermittelt werden.
Tabelle 1: Wesentliche Unterschiede zwischen REM und TEM
REM | TEM | |
Erhaltene Informationen | Oberflächenabbildung, einschließlich Textur- und 3D-Merkmale | Interne Merkmale dünner Proben, Morphologie |
Detektionsart | Sekundärelektronen oder rückgestreute Elektronen werden von oberhalb der Probe detektiert | Durch die Probe transmittierte Elektronen werden detektiert |
Probendicke | Alles, was in die Kammer passt; größere Proben neigen stärker zur Aufladung | Weniger als 1 mm, um in das Mikroskop zu passen, weniger als 100 nm, um die innere Struktur sichtbar zu machen |
Maximale Vergrößerung | Bis zu 1 – 2 Millionen Mal | Mehr als 50 Millionen Mal |
Maximale Auflösung | 10 nm* | 0,1 nm* |
Maximales Sichtfeld (FOV) | Groß | Klein |
Nasse oder trockene Proben? | Trocken für normales REM, nass für Umwelt-REM | Trocken für normale TEM, nass-vitrifizierte Proben für Kryo-TEM |
Probenvorbereitung | Befestigen Sie die Probe mit leitfähigem Klebeband oder Silberleitkleber auf einem Probenträger | Je nach Probe: Tropfenguss mit anschließendem Abziehen der überschüssigen Flüssigkeit (Nanopartikel), Querschnitts-FIB, Mikrotomie, Lösungsmittelguss |
EDX-kompatibel | Ja | Ja |
EELS-kompatibel | Nein | Ja |
Kristallographie (Elektronenbeugung) | Ja | Ja |
* Dies sind typische Werte; die maximale Auflösung hängt vom Gerät ab.
Ideale Anwendungen des REM
Die REM ist äußerst nützlich für die Untersuchung der Oberfläche einer Probe. Zu den Anwendungsgebieten gehören die Visualisierung und Untersuchung von Halbleiteroberflächen sowie Qualitätskontrollprozesse in der Lebensmittel- und Getränkeverpackung. Zudem kann die REM auch für die Partikelgrößenverteilungsanalyse eingesetzt werden, insbesondere wenn Proben eine unregelmäßige Form aufweisen oder für die Laserbeugung (LD) oder dynamische Lichtstreuung (DLS) ungeeignet sind. Die wichtigsten Vorteile der REM sind:
Es ermöglicht die hochvergrößerte Abbildung einer Oberfläche, bei der strukturelle Defekte oder Verunreinigungen zu Problemen führen würden.
Es verfügt über ein vergleichsweise größeres Sichtfeld (FOV) als das TEM, was die Visualisierung eines größeren Bereichs ermöglicht.
Für Anwendungen, bei denen sowohl REM als auch TEM eingesetzt werden können, ist REM kosteneffizienter – TEM-Analysen kosten in der Regel etwa 3- bis 5-mal mehr.
Ideale Anwendungen der TEM
TEM ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung des Inneren einer Probe. Zu den wichtigsten Branchen, in denen TEM eingesetzt wird, zählen Nanotechnologie, Halbleitertechnik, Materialwissenschaften und Elektronik. In Kombination mit Negativkontrastierung oder Kryopräparation kann TEM auch zur Abbildung biologischer Systeme wie Liposomen eingesetzt werden. In der Partikelgrößenanalyse wird es typischerweise für Nanopartikel mit einem Durchmesser von <50 nm verwendet. Größere Partikel können ebenfalls abgebildet werden, jedoch ist REM in solchen Fällen möglicherweise die praktischere Wahl.
TEM bietet eine wesentlich höhere Vergrößerung und Auflösung als REM, jedoch ist das Sichtfeld kleiner, sodass nur ein kleiner Teil der Probe visualisiert werden kann.
Ein TEM-Bild ist eine 2D-Projektion, bei der die inneren Strukturen in einer abgeflachten Ansicht dargestellt werden, was es mitunter erschwert, die Beschaffenheit der Probe vollständig zu erfassen.
Alle Elektronenmikroskopie-Dienstleistungen an einem Ort
Measurlabs bietet sowohl REM- als auch TEM-Bildgebung an, ebenso wie EDX, EELS, EBSD, SAED, Focused Ion Beam (FIB) und Broad Ion Beam (BIB)-REM. Unsere Experten unterstützen Sie außerdem bei der Auswahl der am besten geeigneten Methode oder Methoden zur Untersuchung Ihrer Probe. Sie können uns über das untenstehende Formular kontaktieren, um Ihre Analyseanforderungen zu besprechen und ein Angebot für Ihr Material anzufordern.