Wir schalten um auf Rastertransmissionselektronenmikroskopie
Ziel: Bei analytischen Untersuchungen im Transmissionselektronenmikroskop ist im Interesse einer hohen räumlichen Auflösung ein nanoskaliges Anregungsgebiet erwünscht. Die Elektronenoptik des Beleuchtungssystems eines TEM (Kondensorsystem und Teil des Obj
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konventionellen Rasterelektronenmikroskopie liegen zum einen in der erreichbaren Kleinheit der Sonde: Aufgrund der günstigen elektronenoptischen Bedingungen im TEM (sehr kleiner Arbeitsabstand) gelingt es, die o.g. kleinen Sondendurchmesser im Ångström-Bereich zu erzielen. Zum anderen beruht aufgrund der Durchstrahlbarkeit der Probe der Kontrastmechanismus auf den gleichen Prinzipien wie bei der konventionellen („Ruhebild“-) Transmissionselektronenmikroskopie: Wenig gestreute Elektronen gelangen in den Detektor, stark gestreute Elektronen nicht („STEM-Hellfeldbild“) oder umgekehrt („STEM-Dunkelfeldbild“). Die elektronentransparenten Proben haben einen entscheidenden Vorteil: Im Gegensatz zu den kompakten Objekten im konventionellen Rastermikroskop bildet sich in den dünnen Folien kein größeres Anregungsgebiet (sogenannte „Anregungsbirne“) aus. Damit gelingt es, auch im STEM-Verfahren eine Auflösung von besser als 0,1 nm zu erreichen.
8.1 Was ändert sich elektronenoptisch? Auf den ersten Blick erscheint es sehr einfach, den Elektronenstrahl auf die Probe zu fokussieren und zeilenweise über die Probe zu führen: Wir stellen die Brennweite des Kondensors 2 (im Falle eines Doppelkondensors) auf konvergente Beleuchtung ein, so wie wir es bereits bei der Feinstrahlbeugung (vgl. Abschnitte 2.7.1 und 5.3) kennengelernt haben. Zum Rastern schwenkt ein Ablenksystem den Elektronenstrahl in zwei senkrechten Richtungen. Bei dieser Verfahrensweise treten zwei Probleme auf: 1. Die Kondensor-2-Linse ist eine langbrennweitige Linse. Ihr Öffnungsfehler ist dementsprechend groß (vgl. Abschnitt 2.3). Wir werden später sehen (Ab-
J. Thomas, T. Gemming, Analytische Transmissionselektronenmikroskopie, DOI 10.1007/978-3-7091-1440-7_8, © Springer-Verlag Wien 2013
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Kapitel 8
schnitt 8.2), dass es damit nicht gelingt, eine Elektronensonde von weniger als einigen Nanometer im Durchmesser zu erreichen. 2. Der konvergente Elektronenstrahl muss unabhängig von der Position auf der Probe die gleiche Einstrahlrichtung haben (s. Bild 8-1). Einfaches Ablenken in zwei senkrechten Richtungen erfüllt diese Forderung nicht. Um den Ausweg aufzuzeigen, müssen wir unser Modell von der Objektivlinse verändern. Bisher sind wir von einer einzigen Spule zur Erzeugung des ObjektivMagnetfeldes ausgegangen. Wir wissen, dass sich die Probe innerhalb des Polschuhs befindet. Mit mehreren Spulen kann der Feldteil vor (d.h. oberhalb) der Probe getrennt von dem nach (d.h. unterhalb) der Probe eingestellt werden. Nach unserem neuen Modell besteht die Objektivlinse aus zwei Teilen: einem „Objektiv-Vorfeld“ und einem „Objektiv-Nachfeld“. Die Probe befindet sich zwischen beiden, d.h. unmittelbar am Vorfeld. Damit können beide Probleme beseitigt werden.
Bild 8-1. Parallele Einstrahlrichtung des konvergenten Elektronenbündels als Voraussetzung für den STEMBetrieb des Transmissionselektronenmikroskops.
Wir benutzen das Vorfeld als zusätzliche Kondensorlinse, was in der Regel als „Nanoprobe-Mode“ bezeichnet wird. Wegen des sehr geringen Arbeitsabstandes (Distanz zwische
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