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Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

Die Transmissionselektronenmikroskopie

(TEM, steht auch für Transmissionselektronenmikroskop) ist eine Betriebsart für Elektronenmikroskope, die eine direkte Abbildung von Objekten mit Hilfe von Elektronenstrahlen ermöglicht.

 

Die Elektronen durchstrahlen das Objekt, das zu diesem Zweck entsprechend dünn sein muss. Je nach Ordnungszahl der Atome, aus denen das Objekt besteht, der Höhe der Beschleunigungsspannung und der gewünschten Auflösung kann die sinnvolle Objektdicke von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern reichen.

 

Typische Beschleunigungsspannungen von TEM sind 80kV...400kV, wobei der Bereich unter 200kV eher für die Untersuchung biologischer Materialien benutzt wird (i.d.R. benutzt man hier 80kV...120kV, während materialwissenschaftliche Aufgaben eher mit 200kV oder höheren Spannungen gelöst werden).

Die höchste benutzbare Beschleunigungsspannung ist ein wesentliches Leistungsmerkmal eines TEM. Je höher die Ordnungszahl und je niedriger die Beschleunigungsspannung sind, desto dünner muss das Objekt sein. Auch für hochauflösende Abbildung ist es erforderlich, dass das Objekt dünn ist. Die von der Elektronenquelle gelieferten Elektronen werden vom Kondensor-Linsensystem so abgelenkt, dass sie den zu beobachtenden Objektabschnitt gleichmäßig ausleuchten und alle etwa parallel zueinander auf das Objekt einfallen.

Im Objekt werden die Elektronen gestreut, das heißt ihre Bewegungsrichtung ändert sich. Teilweise verlieren sie dabei auch Bewegungsenergie (inelastische Streuung). Elektronen, die das Objekt unter dem selben Winkel verlassen, werden in der hinteren Brennebene der Objektivlinse in einem Punkt fokussiert.

 

Man kann nun in dieser Ebene mit einer Blende (Objektivblende beziehungsweise Kontrastblende) nur die Elektronen passieren lassen, die nicht gestreut wurden. Da Atome mit höherer Ordnungszahl sowie dickere Objektbereiche stärker streuen, wird der entstehende Kontrast Massendickenkontrast genannt. Der Kontrast kristalliner Materialien folgt komplizierteren Gesetzmäßigkeiten und wird als Beugungskontrast bezeichnet.

 

Die hochaufgelöste Abbildung der Atomanordnung in kristallinen Objekten (engl. High Resolution Transm. El. Micr., HRTEM) beruht auf dem Phasenkontrast, wobei die Kohärenz der Elektronenwelle ausgenutzt wird. Mit dem HAADF-Signal (HAADF steht für engl. High Angle Annular Dark Field) des Raster-Transmisionselektronenmikroskops läßt sich hingegen eine inkohärente hochauflösende Abbildung erzielen.

Das Projektiv-Linsensystem wirft das vom Objektiv-Linsensystem erzeugte erste Zwischenbild weiter vergrößert auf einen Detektor. Als solcher kommt beispielsweise ein Leuchtschirm zur direkten Beobachtung in Frage, der meistens mit fluoreszierendem Zinksulfid beschichtet ist. Falls das Bild aufgezeichnet werden soll, verwendet man fotografischen Film, sogenannte image plates oder eine CCD-Kamera.

 

CCD-Elemente würden durch direktes Bombardement mit den recht hochenergetischen Strahlelektronen schnell zerstört werden, daher wird die Elektronenintensität zunächst mit einem Szintillator in Licht umgesetzt, das dann über eine Transferoptik (meist Lichtleitfaserbündel) zum CCD-Chip geführt wird.

 

Durch eine Änderung des Projektiv-Linsensystems kann anstatt des Zwischenbildes auch die Fokusebene der Objektiv-Linse vergrößert abgebildet werden. Man erhält so ein Elektronenbeugungsbild mit dessen Hilfe sich die Kristallstruktur der Probe bestimmen läßt.

 

Bei der Energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM) wird die durch den Objektdurchgang geänderte Bewegungsenergie der Elektronen ausgenützt, um chemische Aussagen über das Objekt, etwa die Verteilung der Elemente, treffen zu können.

Probenaufbereitung

 

Metallische Proben

 

Zur Untersuchung von Metallen im TEM werden aus dem Probenmaterial zunächst Scheibchen geschnitten und auf etwa 0,1 mm Dicke geschliffen. In den meisten Fällen kann das Metall dann durch elektrolytisches Polieren so weit gedünnt werden, dass sich ein kleines Loch in der Mitte des Scheibchens bildet. Am Rand dieses Loches ist das Metall sehr dünn und mit Elektronen durchstrahlbar.

 

Metalle, bei denen elektrolytisches Polieren keine zufriedenstellenden Resultate liefert, sowie nicht- oder schlecht leitende Materialien wie Silizium oder Mineralien können durch Ionendünnung (auch Ionenstrahlätzen, engl. ion milling) transparent für Elektronen gemacht werden. Da die Abtragsrate dieses Verfahrens im Bereich von einigen μm/h liegt, werden die Proben zunächst mechanisch abgedünnt. Gebräuchlich sind hier sogenannte Dimpler, mit denen in die Mitte des Probenscheibchens eine Mulde geschliffen wird, sowie die sogenannte "Dreibeinmethode" (engl. Tripod Method), bei der das Probenmaterial manuell zu einem Keil geschliffen wird.

 

Biologische Proben

 

DNA-Plasmide in verschieden Konformationen im TEM Bild nach BAC-Spreitung (Uran-Färbung) 60.000x/80kV DNA-Plasmide in verschieden Konformationen im TEM Bild nach BAC-Spreitung (Uran-Färbung) 60.000x/80kV

 

Biologische Proben, die im TEM betrachtet werden sollen, müssen eine Reihe von Vorbereitungen durchlaufen. Dabei hängt es von der wissenschaftlichen Fragestellung ab, welche Methode verwendet wird.

 

  • Fixierung - um die Probe realistischer darstellen zu können. Verwendet werden Glutaraldehyde zur Härtung und Osmiumsäure,
    um Lipide schwarz zu färben.
  • Cryo-Fixierung - die Probe wird in flüssigem Ethan bei -88,6 °C schockgefroren. Dabei kristallisiert das Wasser nicht, sondern bildet
    vitrifiziertes (glasartiges) Eis. Bei dieser Methode wird die biologische Probe mit der geringsten Artefaktbildung fixiert. Allerdings
    ist der Kontrast sehr gering.
  • Dehydrierung - Wasser wird entfernt und durch Ethanol oder Aceton ersetzt.
  • Einbettung - um Gewebe sektionieren zu können.
  • Sektionierung - Aufteilen der Probe in dünne Scheiben. Diese können auf einem Ultra-Mikrotom mit einer Diamantklinge geschnitten werden.
  • Färbung (Negative Stain) - Schwere Atome wie Blei- oder Uran-Atome streuen Elektronen stärker als leichte Atome und erhöhen
    so den Kontrast.

 

 

Quelle: "http://de.wikipedia.org/wiki/Transmissionselektronenmikroskop"

 

Mit Hilfe des TEM werden Festkörper mit Elektronen durchstrahlt, abgebildet, gebeugt und analysiert. Besonders geeignet ist diese Methode für die Abbildung von Kristallfehlern und feinsten Strukturen im Nanometerbereich. An Stahl werden insbesondere Ausscheidungs- und Rekristallisationsvorgänge charakterisiert.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung: Versetzungsstruktur an Warmband

 

 

Das TEM eignet sich besonders für folgende Problemstellungen:

 

  • Abbildung und Analyse von Ausscheidungen (> 5 nm ø )
  • Abbildung und Analyse von Kristallfehlern wie Versetzungen, Stapelfehler, Korn- und Subkorngrenzen
  • hemische Zusammensetzung von Ausscheidungen und Phasen (> 5 nm ø) mittels EDX-Analyse
    und / oder Elektronen-Feinbereichsbeugung
  • Kristallografischer Nachweis von Ausscheidungen und Phasen (> 5 nm ø)

 

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