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Elektronenmikroskop

Die Vergrößerungsleistung eines Lichtmikroskops ist durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt. Bei einem Elektronenmikroskop werden Elektronen zur „Beleuchtung” des Gegenstandes eingesetzt. Bildlich gesprochen haben Elektronen wesentlich kleinere Wellenlängen als Licht. Deshalb können sie auch wesentlich kleinere Strukturen auflösen. Die kleinste Wellenlänge des sichtbaren Lichtes beträgt etwa 380 Nanometer (ein Nanometer entspricht einem milliardstel Meter). Die Wellenlänge der Elektronen, die man z. B. in der Elektronenmikroskopie verwendet, liegt meist bei fünf Nanometer.

Bestimmte Bauteile findet man in allen Elektronenmikroskopen. Sie haben einen Elektronenstrahler zur Erzeugung der Elektronen. Weil die in Lichtmikroskopen verwendeten herkömmlichen Linsen mit Elektronenstrahlen nicht funktionieren, lenken und fokussieren magnetische „Linsen” den Elektronenstrahl. Einen wichtigen Bestandteil des Elektronenmikroskops bildet das Vakuumsystem. Elektronen werden leicht von den Molekülen der Luft gestreut. Deshalb muss im Inneren eines Elektronenmikroskops ein Hochvakuum herrschen. Schließlich benötigt ein Elektronenmikroskop auch eine Vorrichtung zur Fixierung und Darstellung der mit den Elektronen erzeugten Bilder.

Man unterscheidet zwei Grundtypen von Elektronenmikroskopen: das Durchstrahlungselektronenmikroskop (Transmissionselektronenmikroskop, TEM) und das Rasterelektronenmikroskop (REM). Beim Durchstrahlungselektronenmikroskop wird ein Elektronenstrahl auf das zu vergrößernde Objekt gerichtet. Einige der Elektronen werden von der Probe absorbiert oder gestreut, andere durchdringen die Probe und erzeugen hinter ihr ein vergrößertes Abbild. Die Probe muss dabei äußerst dünn geschnitten sein. Normalerweise ist eine solche Probe nur einige Mikrometer (tausendstel Millimeter) dick. Zur Aufzeichnung des vergrößerten Abbilds wird hinter der Probe eine photographische Platte oder ein Leuchtschirm angebracht. Mit einem Durchstrahlungselektronenmikroskop kann man Gegenstände bis zum Einmillionenfachen vergrößern.

Ein Rasterelektronenmikroskop erzeugt ein vergrößertes Abbild der Oberfläche eines Gegenstandes. Bei diesem Verfahren muss die Probe nicht dünn geschnitten sein, sie braucht nur wenig oder gar keine Aufbereitung. Anders als ein Durchstrahlungselektronenmikroskop, das einen verhältnismäßig großen Teil der Probe auf einmal erfasst, tastet ein Rasterelektronenmikroskop die Oberfläche der Probe schrittweise ab. Ein stark gebündelter Elektronenstrahl bewegt sich ähnlich dem Elektronenstrahl, der beim Fernsehen das Bild auf den Schirm „schreibt”, über die gesamte Probe. Die Elektronen des gebündelten Strahles können direkt von der Oberfläche der Probe gestreut werden oder die Emission (Abstrahlung) von Sekundärelektronen aus der Probenoberfläche bewirken. Diese gestreuten oder Sekundärelektronen werden in einem Kollektor gesammelt und von einem neben der Probe eingebauten elektronischen Zähler erfasst. Jeder abgetastete Punkt der Probe entspricht einem Pixel auf einem Fernsehbildschirm. Je mehr Elektronen der Zähler feststellt, desto heller wird das Pixel am Bildschirm. Während sich der Elektronenstrahl über die Probe bewegt, entsteht auf dem Bildschirm ein vollständiges Abbild der Probe. Rasterelektronenmikroskope erreichen eine 100 000fache und höhere Vergrößerung. Sie sind im Gegensatz zu Durchstrahlungselektronenmikroskopen und starken Lichtmikroskopen besonders dazu geeignet, die Oberfläche eines Gegenstandes realistisch und dreidimensional abzubilden.

Es wurden noch verschiedene andere Elektronenmikroskope entwickelt. Das Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop verbindet Durchstrahlungs- und Rasterelektronenmikroskop. Mit diesem Mikroskoptyp hat man sogar einzelne Atome bzw. Atomgruppen abbilden können. Ein Elektronenstrahl-Mikroanalysator ist ein Elektronenmikroskop, das mit einem Gerät für die Röntgenspektralanalyse ausgerüstet ist und die hochenergetischen Röntgenstrahlen untersuchen kann, die eine Probe aussendet, wenn sie mit Elektronen bestrahlt wird. Moleküle oder Atome lassen sich anhand der von ihnen ausgesandten Röntgenstrahlen identifizieren. Daher liefert ein Elektronenstrahl-Mikroanalysator nicht nur wie herkömmliche Elektronenmikroskope ein vergrößertes Abbild der Probe, sondern auch Informationen über ihre chemische Zusammensetzung.

Eine Variante des Rasterelektronenmikroskops ist das Rasterpositronenmikroskop, das nicht mit Elektronen, sondern mit Positronen arbeitet. Dieses Instrument wurde von Physikern der Universität der Bundeswehr in München entwickelt und zeichnet sich durch sein sehr gutes Auflösungsvermögen aus. Das Rasterpositronenmikroskop kommt beispielsweise zum Auffinden von Defektstellen auf Halbleiteroberflächen zum Einsatz.