Skip to main content
Fachgebiete
Automobil + Motoren Bauwesen + Immobilien Business IT + Informatik Elektrotechnik + Elektronik Energie + Nachhaltigkeit Finance + Banking Management + Führung Marketing + Vertrieb Maschinenbau + Werkstoffe Versicherung + Risiko
DE
EN
Bücher
Zeitschriften
Themenseiten
Organisationspsychologie Projektmanagement Marketing Smart Manufacturing
Weitere Formate
Podcasts Webinare Technik Webinare Wirtschaft Kongresse Veranstaltungskalender Awards
Jetzt Einzelzugang starten
Zugang für Unternehmen
Referenzkunden
SLX-Digitalkonferenz: Zukunftswerkstatt 2024

Mehr Umsatz mit Top-Kontakten

Am 7. Mai erfahren Sie, wie Vertriebsteams Leadgenerierung, Leadnurturing und Leadstrategien effizient steuern können.
Erweiterte Suche
Anmelden
nach oben

2023 | Buch

Wozu dieser Aufwand? Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Analytische Transmissionselektronenmikroskopie

Eine praxisbezogene Einführung

verfasst von: Jürgen Thomas, Thomas Gemming

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Einloggen, um Zugang zu erhalten
insite
SUCHEN

Über dieses Buch

Das Buch wendet sich an alle, egal ob im Studium, in technischen Berufen, oder in der Wissenschaft, die die sich für die analytische Transmissionselektronenmikroskopie interessieren und einen Überblick über diese Methode erhalten möchten. Insbesondere betrifft dies Personen, die an einem Transmissionselektronenmikroskop arbeiten wollen oder müssen, die aber noch keine spezielle elektronenmikroskopische Ausbildung durchlaufen haben. Das Buch basiert auf den Erfahrungen der Autoren bei der Unterrichtung von Studierenden, Promovierenden und in technischen Berufen Tätigen. Der Überblick über die analytische Transmissionselektronenmikroskopie umfasst die Schwerpunkte Optische Abbildung, Elektronenwellen, magnetische Linsen, Abbildungsfehler, Aufbau eines Transmissionselektronenmikroskops, Präparation dünner Proben, Justage des Mikroskops, Elektronenbeugung, Kontrastentstehung, Höchstauflösungselektronenmikroskopie, Rastertransmissionselektronenmikroskopie sowie Analytik mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Elektronenenergieverlust-Spektroskopie. Ein mathematischer Anhang erklärt grundlegende Formalismen zur Thematik.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Wozu dieser Aufwand?
Ziel
In der modernen Werkstoffforschung spielen sehr kleine, sogenannte „Nanostrukturen“ eine immer bedeutsamere Rolle. Mit kleiner werdendem Teilchenvolumen wächst im Vergleich zum Volumen der Oberflächenanteil und dessen thermodynamisches Potential spielt eine viel stärkere Rolle als bei massivem Material. Dies macht den Reiz der Nanostrukturen aus. Darüber hinaus entstehen neuartige Eigenschaften: Kobalt-Kupfer-Wechselschichten mit Einzeldicken um 1 nm führen zu unerwartet starken Änderungen des elektrischen Widerstandes bei Änderung des Magnetfeldes und ermöglichen das Auslesen der Information von Computer-Festplatten („Giant Magnetoresistance“), Nanoteilchen auf Oberflächen verhindern den direkten Kontakt von Wasser mit der Oberfläche: die Wassertropfen perlen ab („Lotuseffekt“), Nanoteilchen ermöglichen durch ihre große spezifische Oberfläche verbesserte Katalysatorwirkung usw. Die spannende Frage ist: „Wie können solche ‚Nanostrukturen‘ untersucht und charakterisiert werden?“
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Kapitel 2. Was wir über den Aufbau eines Elektronenmikroskops und Elektronenoptik wissen sollten
Ziel
Wenn in diesem Buch vom Elektronenmikroskop geschrieben wird, dann ist damit immer das Transmissionselektronenmikroskop gemeint und nicht das Rasterelektronenmikroskop. Damit geht es um ein Mikroskop im engeren Sinn, d. h. um ein Gerät, in dem ein Gegenstand, nämlich die zu untersuchende Probe, durchstrahlt und optisch abgebildet wird. Ungeachtet dessen kann in diesem Mikroskop der Elektronenstrahl auch auf die Probe fokussiert und gerastert werden (STEM – s. Kap. 8). Es bleibt aber bei der Durchstrahlung der Probe. Das Transmissionselektronenmikroskop ist im Prinzip wie ein (Durchstrahlungs-)Lichtmikroskop aufgebaut. Davon ausgehend werden wir uns in diesem Kapitel mit einigen elektronenoptischen Gesetzmäßigkeiten, Abbildungsfehlern und wichtigen Baugruppen des Elektronenmikroskops befassen.
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Kapitel 3. Wir präparieren elektronentransparente Proben
Ziel
Transmissionselektronenmikroskopie wird in der Regel gleichgesetzt mit moderner Gerätetechnik, Elektronenoptik auf dem neuesten Stand, Interpretation neuartiger Ergebnisse; auch über Sinn und Zweck des Ganzen wird diskutiert. Bei Neueinrichtung eines elektronenmikroskopischen Labors ist aber unbedingt zu beachten, dass für die Transmissionselektronenmikroskopie geeignete dünne Proben benötigt werden und die Präparation solcher Proben alles andere als einfach und selbstverständlich ist. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über geeignete Präparationsmethoden.
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Kapitel 4. Wir beginnen mit der praktischen Arbeit
Ziel
In den Kap. 1 bis 3 haben wir in groben Zügen beschrieben, was sich elektronenoptisch im Mikroskop abspielt, wir wissen, wie die Proben vorbereitet werden müssen und sitzen nun gedanklich vor einem Transmissionselektronenmikroskop. Zeit, sich mit seinem Äußeren vertraut zu machen. Natürlich sieht jeder Mikroskoptyp etwas anders aus, das hängt von der Herstellungsfirma aber auch von der Baureihe ab. Es ist aber wie mit dem Auto: Es gibt auch Gemeinsamkeiten und wir wollen versuchen, uns auf solche zu beschränken. Schließlich erwerben wir den Führerschein auch nicht für einen bestimmten Autotyp. Zu Beginn ist der Justagezustand des Mikroskops zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren. Auf evtl. Veränderungen der Probe während der Bestrahlung mit Elektronen wird hingewiesen.
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Kapitel 5. Wir schalten um auf Elektronenbeugung
Ziel
Ein großer Vorteil des Transmissionselektronenmikroskops ist es, dass auf einfache Weise zwischen Abbildung und Beugung sehr kleiner Strukturen in einer dünnen Probe umgeschaltet werden kann. Dadurch wird die Zuordnung von morphologischen und kristallografischen Materialeigenschaften möglich. Wir wollen erklären, wieso überhaupt Elektronenbeugungsmuster entstehen und was an den Linsen innerhalb des Elektronenmikroskops geändert werden muss, damit dieses Umschalten zwischen Abbildung und Beugung funktioniert. Schließlich wollen wir erläutern, welche materialwissenschaftlichen Erkenntnisse aus den Beugungsmustern erhalten werden können. Dazu ist es notwendig, einige kristallografische Grundkenntnisse zu vermitteln.
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Kapitel 6. Warum sehen wir Kontraste im Bild?
Ziel
Wenn wir im Gedankenexperiment mit einem weißen Stift zwei Punkte auf ein weißes Blatt Papier zeichnen, werden wir diese Punkte nicht sehen können. Der weiße Stift liefert keinen Kontrast. Auch im Elektronenmikroskop benötigen wir nicht nur ein hohes Auflösungsvermögen sondern auch einen Bildkontrast. Dieser ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen den Strahlelektronen (Primärelektronen) und der durchstrahlten Probe. Anders als in der Lichtmikroskopie, wo die Schwächung der Amplitude der Lichtwelle eine wesentliche Kontrastursache ist, spielt die Absorption von Elektronen in der Probe in der Transmissionselektronenmikroskopie nur eine untergeordnete Rolle. Hier ist die unterschiedliche Streuung (Ablenkung) der Elektronen in verschiedenen Probenbereichen die dominierende Ursache für den Kontrast. Später werden wir sehen, dass insbesondere bei sehr hohen Vergrößerungen auch Phasenschiebungen der Elektronenwelle für den Kontrast verantwortlich sein können.
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Kapitel 7. Wir erhöhen die Vergrößerung
Ziel
Wir wollen uns nun mit der Abbildung von Strukturen beschäftigen, deren Größen im Bereich der Auflösungsgrenze des Transmissionselektronenmikroskops liegen. Die Atomabstände in den Kristallgittern sind in dieser Größenordnung. Auch die Untersuchung von Korngrenzen und anderen Grenzflächen auf atomarer Skala gehört dazu. Wir wollen aber auch die Effekte bedenken, die bei der hochvergrößerten und hochaufgelösten Abbildung amorpher Materialien auftreten.
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Kapitel 8. 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 Objektivfeldes vor dem Objekt) ist in der Lage, den Elektronenstrahl sehr fein zu fokussieren und damit Elektronensondendurchmesser von weniger als 0,1 nm in der Probenebene zu erzeugen. Ablenksysteme ermöglichen das Rastern dieser feinen Elektronensonde auf der Probe, analog zu dem aus der konventionellen Rasterelektronenmikroskopie bekannten Verfahren. Ähnlich wie beim Namen „Transmission Electron Microscope oder Microscopy – TEM“ hat sich auch für diese Methode ein Kürzel eingebürgert, dessen Ursprung in der englischen Bezeichnung liegt: „STEM“. Es steht für „Scanning Transmission Electron Microscope oder Microscopy“.
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Kapitel 9. Wir nutzen die analytischen Möglichkeiten
Ziel
Bei allen bisher beschriebenen Abbildungsvarianten und Kontrastphänomenen wurde im Transmissionselektronenmikroskop die elastische Streuung der Elektronen im Festkörper, d. h. die Wechselwirkung ohne Energieverlust, ausgenutzt. Inelastische Streuprozesse, d. h. solche, bei denen die Strahlelektronen Energie verlieren, waren unerwünscht. Sie führen zu Änderungen der Elektronenwellenlänge und damit zu Auflösungsverlust durch chromatische Aberration und zu stärkerem Untergrund in den Beugungsbildern. Andererseits sind inelastische Wechselwirkungen häufig elementspezifisch, d. h. ihre Ergebnisse hängen davon ab, welchem Element das wechselwirkende Atom angehört. Damit wird eine chemische Analyse im Nanometerbereich möglich. Wir werden den inelastischen Streuprozess erläutern, die zu dessen praktischer Nutzung erforderlichen Spektrometer und Verfahren beschreiben und schließlich einige Beispiele anführen.
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Kapitel 10. Grundlagen genauer erklärt (etwas mehr Mathematik)
Ziel
Können die Intensitätsmodulationen beim Auftreffen einer Welle auf eine Kante wirklich durch das Huygenssche Prinzip erklärt werden? Besitzen rotationssymmetrische magnetische Felder für Elektronen tatsächlich Linseneigenschaften? Wie funktionieren Multipole und Prismen für Elektronen? Wie kommt man auf die Formeln für die Berechnung von Beugungsreflexabständen und Winkeln zwischen Beugungsreflexen, wenn es sich nicht um ein kubisches Gitter handelt? Wodurch werden die Reflexintensitäten bestimmt? Wie kann die Kontrastübertragung durch die Objektivlinse berechnet werden? Wir wollen in diesem Kapitel diese Fragen beantworten und einige Gesichtspunkte der EDX- und EEL-Spektrometrie sowie der Faltung von Funktionen genauer betrachten. Außerdem widmen wir uns den Fehlern bei elektronenmikroskopischen Messungen. Dabei lässt es sich nicht vermeiden, dass die Mathematik eine weitaus größere Rolle spielt als bisher. Für einige Fälle haben wir kleine Computerprogramme geschrieben, um aus den Modellen quantitative Aussagen zu gewinnen.
Jürgen Thomas, Thomas Gemming
Backmatter
Metadaten
Titel
Analytische Transmissionselektronenmikroskopie
verfasst von
Jürgen Thomas
Thomas Gemming
Copyright-Jahr
2023
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-66723-1
Print ISBN
978-3-662-66722-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-66723-1

Neuer Inhalt

    Bildnachweise