Rasterelektronenmikroskopie mit Röntgenmikroanalyse (REM)
Durch Integration einer Elektronenstrahlmikroanalyse sind zudem chemische Analysen möglich. Damit kann eine Vielzahl von Fragestellungen an unterschiedlichsten Materialien beantwortet werden.
Anwendung
Die Rasterelektronenmikroskopie kann zur Oberflächenuntersuchung von Proben oder Objekten eingesetzt werden, um beispielsweise Bearbeitungsspuren, Schäden oder andere Veränderungen der Oberfläche mit hoher Schärfentiefe sichtbar zu machen. Dadurch entstehen plastisch wirkende Abbildungen. Mit Hilfe der Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) kann zudem die chemische Zusammensetzung örtlich in sehr kleinen Volumina bestimmt werden, wodurch einzelne Phasen, lokale Inhomogenitäten oder Kompositwerkstoffe analysiert werden können.
Dies erlaubt Aussagen zur Zusammensetzung und Beschaffenheit, woraus man wiederum verschiedenste Informationen ableiten kann, z. B. zur Genese des Materials. Für die meisten Anwendungen müssen für die chemische Analyse aber geeignete Präparate erstellt werden (An- oder Dünnschliffe), um eine einheitliche Geometrie zwischen Probenoberfläche und den verschiedenen Detektoren zu gewährleisten. Nur so lassen sich reproduzierbare Resultate erzielen. Das an der CEZA vorhandene Rasterelektronenmikroskop (ZEISS EVO 60 MA 25) ist mit sehr großer Probenkammer (420 mm Ø x 330 mm) ausgestattet und besitzt neben dem üblichen Hochvakuumsystem auch die Möglichkeit, in einem variablen Druckbereich (10–400 Pa) zu arbeiten. Dadurch können Objekte auch ohne Probenahme oder Präparation in situ untersucht werden.
Der sog. VP-Modus (variable pressure) erlaubt es, nichtleitende, gasende oder feuchte Proben (Textilien, Holz, Leder etc.) ohne eine vorherige Präparation (z. B. Bedampfung) zu untersuchen, indem die Aufladungen der Probe durch den individuellen Partialdruck in der Kammer kompensiert werden können. Für die Elektronenstrahlmikroanalyse ist am REM ein energiedispersives Röntgenspektrometriesystem (EDS) angeschlossen. Der Silizium Drift Detektor (SDD) besitzt ein garantiertes Auflösungsvermögen von mindestens 127 eV bei Mn-Kα und kann sehr große Impulsraten verarbeiten, wodurch z. B. Elementverteilungsbilder (mapping) in relativ kurzen Messzeiten aufgenommen werden können. Das modulare Analysesystem (BRUKER Esprit) gestattet die Aufnahme quantitativer Elementverteilungen und anschließender Phasenintegration.
Grundlagen
Die Rasterelektronenmikroskopie ist ein vielseitiges Verfahren, welches morphologische Bilder mit hoher Schärfentiefe und zahlreiche analytische Informationen liefert. Grundlage der Methode ist die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Materie. Elektronen werden durch eine Kathode im REM unter Hochvakuum erzeugt und über elektromagnetische Linsen zu einem fein fokussierten Elektronenstrahl gebündelt, der die Oberfläche einer Probe oder eines Objektes zeilenförmig abrastert.
Die Wechselwirkung mit den Atomen des untersuchten Materials ist vielseitig und führt zur simultanen Aussendung unterschiedlicher Signale. Hiervon sind die Erzeugung von Sekundärelektronen (SE) und Rückstreuelektronen (RE) mit Abstand am bedeutendsten. Sekundärelektronen besitzen eine niedrige Energie und stammen aus den obersten Nanometern des Materials. Sie werden mit einem entsprechenden SE-Detektor erfasst und dienen der topografischen Darstellung. Da hier Flächenneigung, Kanteneffekte und Abschattung bedeutsam sind, und die Elektronen nur aus geringer Tiefe stammen, eigen sich Sekundärelektronen besonders gut zur plastischen Visualisierung (sog. Topografiekontrast). Auch Rückstreuelektronen sind mithilfe eines RE-Detektors bildgebend, hier spielt aber die Zusammensetzung des Materials eine Rolle. Der Elektronenstrahl (aus Primärelektronen) dringt materialspezifisch unterschiedlich stark in die Probe ein und auch die Anzahl an rückgestreuten Elektronen hängt von der Art des Materials ab. Dabei gilt: Je höher die (mittlere) Ordnungszahl des Materials ist, desto mehr Rückstreuelektronen erreichen den Detektor.
Durch Wiedergabe als Graustufen ist damit eine Abbildung der Probe im sog. Kompositions- oder Ordnungszahlkontrast möglich. Erfasst man die zurückgestreuten Elektronen mit einem speziellen Detektorsystem (EBSD-Detektor), entstehen ferner Interferenzmuster, die durch die Beugung der Elektronen am Kristallgitter der in der Probe befindlichen Phasen entstehen. Die Elektronenrückstreubeugung ermöglicht so u. a. die Bestimmung der Kristallstruktur und deren räumliche Verteilung. Durch Integration eines energiedispersiven Röntgenspektrometers (EDS) kann außerdem die chemische Zusammensetzung ortsaufgelöst bestimmt werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Interaktion des Elektronenstrahls materialcharakteristische Röntgenstrahlung erzeugt, die mit dem SD-Detektor im gesamten Energiebereich gleichzeitig erfasst wird. Hierdurch sind qualitative und quantitative Punkt-, Linien und Flächenanalysen in kurzer Zeit möglich.
Grenzen
Alle analytischen Untersuchungen sollten idealerweise an präparierten und elektrisch leitenden Proben durchgeführt werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Die Rasterelektronenmikroskopie und vor allem die Elektronenstrahlmikroanalyse sind hoch ortsaufgelöste Verfahren, die für die Untersuchung von Mikroproben entwickelt wurden und sehr sensitiv auf Veränderungen der Oberfläche reagieren.
Probenbeschaffenheit
Es können feste vakuumstabile, anorganische und organische Proben untersucht werden. Die Proben müssen frei von Wasser, Lösungsmittel und anderen gasenden Stoffen sein. Je nach Fragestellung und Material können winzige Partikel direkt und ohne Präparation untersucht werden, allerdings ist es häufig notwendig, An- und Dünnschliffe herzustellen und nichtleitende Proben mit einem elektrisch leitfähigen Material zu bedampfen. Nichtleitende Proben können mit gewissen Einschränkungen auch ohne Bedampfung im VP-Modus untersucht werden, was auch für feuchte und gasende Materialien gilt.