Rasterelektronenmikroskop (REM)

Allgemein

Bauart des Elektronenmikroskops, das auf direktem Wege – also ohne Folienabdruck oder abgedünnte Probe – vergrößerte Abbildungen von Oberflächen aller Art und jeden Materials liefert. Der abgebildete Objektausschnitt liegt üblicherweise im Bereich von 5 mm bis 2 μm Kantenlänge. Daraus ergibt sich ein Vergrößerungsbereich von 20 : 1 bis 50000 : 1. Die Tiefenschärfe ist etwa drei Zehnerpotenzen größer als beim Lichtmikroskop.

Eine kardanische Aufhängung erlaubt die Betrachtung der Probe aus jeder Richtung. Wegen der hohen Tiefenschärfe und der vielseitigen Probenmanipulation ist das Rasterelektronenmikroskop, insbesondere zur Untersuchung rauher Oberflächen (Bruch, Korrosion, Verschleiß) oder räumlicher Strukturen geeignet. Der weite Vergrößerungsspielraum, die hohe Arbeitsgeschwindigkeit und der Wegfall der aufwendigen Präparation von durchstrahlbaren Proben sind weitere Gründe für die breite Anwendung des Rasterelektronenmikroskops in der Metallographie.

Die zu untersuchende Probenoberfläche wird im Vakuum durch einen feinfokussierten Elektronenstrahl abgerastert, der in einer Elektronenquelle erzeugt wird. Die Elektronenquelle besteht meist aus einer auf hohe Temperaturen geheizten Kathode (haarnadelförmig gebogener Wolframdraht) und einer Bündelungselektrode (Wehnelt-Zylinder). Durch ein elektrisches Feld zwischen Quelle und Anode (0,2 bis 30 keV) werden die Elektronen auf eine den Abbildungs- und Analyseerfordernissen entsprechende Primärenergie beschleunigt. Treffen die energiereichen Primärelektronen auf die zu untersuchende Probenoberfläche, so enstehen vielfältige Wechselwirkungssignale (zum Beispiel Sekundärelektronen, Rückstreuelektronen, charakteristische Röntgenstrahlung), die unterschiedliche Informationen über die Probe liefern.

Das Auflösungsvermögen des REM wird unter anderem durch den Strahldurchmesser bestimmt. Daher muss mithilfe von elektromagnetischen Linsen ein möglichst feiner Strahl erzeugt werden. Elektromagnetische Linsen weisen jedoch eine sehr schlechte optische Qualität auf und sind mit starken Linsenfehlern behaftet. Deshalb wird der Elektronenstrahl durch Aperturblenden im Strahlengang zur Abbildung weiter verkleinert. Dabei nimmt jedoch die Strahlintensität stark ab, sodass für Hochauflösungsaufnahmen nur sehr kleine Strahlströme realisiert werden können. Unter optimalen Bedingungen sind in modernen REM-Strahldurchmesser von wenigen nm, ein Auflösungsvermögen von > 1 nm und maximale Vergrößerungen von einigen 
100 000 : 1 erreichbar.

Für REM-EDX-Analysen sind höhere Strahlströme erforderlich, sodass der Strahldurchmesser zwangsläufig erhöht werden muss. In diesem Falle werden das Auflösungsvermögen und damit die Bildqualität jedoch schlechter.

Der Durchmesser des schlank abbildenden Elektronenstrahls ändert sich nur geringfügig über dem Oberflächenprofil der Probe. Dadurch werden Objektdetails in unterschiedlichen Höhen jeweils von einem Strahl mit etwa konstantem Durchmesser getroffen und damit scharf abgebildet.

Die gebräuchlichsten Wechselwirkungssignale sind:

  • Sekundärelektronen zur Sichtbarmachung der Oberflächentopographie,
  • rückgestreute Elektronen zur Sichtbarmachung von Elementanreicherungen im Ordnungszahlkontrast und
  • die charakteristische Röntgenstrahlung (REM-EDX-Analyse) zur Bestimmung der lokalen Elementzusammensetzung.

Das Rasterelektronenmikroskop kann zur Erweiterung seines Anwendungsbereiches mit Zusatzausrüstungen ausgestattet werden, die beispielsweise die Beobachtung und Dokumentation rasch ablaufender Vorgänge bei thermischer oder mechanischer Beanspruchung der Probe ermöglichen. Eine am Gerät angebaute Ionenkanone erlaubt darüber hinaus einen definierten Abtrag der Probenoberfläche im Vakuum, sodass abhängig von den gewählten Abtragparametern eine leichte Reinigung oder eine tiefe Ätzung während der Untersuchung vorgenommen werden kann.

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