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3 Mikroskopie im Nanokosmos

Da Strukturen kleiner als 100 Nanometer (100 nm) kleiner sind, als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes, sind sie für uns prinzipiell nicht sichtbar. Um sie dennoch analysieren, visualisieren und erforschen zu können braucht man völlig neue Mikroskopietechniken.
Das, was wir in unserer makroskopischen Welt als Farben wahrnehmen, sind die Frequenzen des sichtbaren Lichtes. Denn Licht besteht aus elektromagentischen Wellen, die je nach Wellenlänge eine andere Frequenz haben. "Bilder" aus diesem Nanokosmos sind in der Regel in Grautönen dargestellt. Man kann dann Strukturen erkennen, im Sinne von höher oder tiefer liegenden Flächen, die dann heller oder dunker dargestellt werden. Farben kann es hier nicht geben, weil die Wellenlängen des sichtbaren Lichtes viel größer sind, als diese Strukturen. Aus rein ästhetischen Gründen werden diese Strukturen manchmal eingefärbt. Diese Farben haben dann aber nichts mit der Realität zu tun.

Elektronenmikroskopie

Bei der Elektronenmikroskopie nutzt man eine Erkenntnis der Quantenphysik aus: Bewegte Teilchen können sich wie Wellen verhalten, man kann ihnen auch eine Wellenlänge zuordnen, die u.a. von ihrer Geschwindigkeit abhängt. Elektronen sind winzig kleine Teilchen, die sich einfach mit elektrischen Feldern beschleunigen lassen. Man kann daher mit Elektronen unterschiedliche Sorten von Mikroskopen bauen, mit denen viel kleinere Strukturen sichbar werden, als unter einem herkömmlichen Licht-Mikroskop. Dort, wo in einem Lichtmikroskop Linsen zum Einsatz kommen, werden in einem Elektronenmikroskop Spulen verwendet.

REM - Rasterelektronenmikroskop

Bei diesem Elektronenmikroskop (englisch auch SEM für scanning electron microscope) wird mit einem Elektronenstrahl eine Probe zeilenweise gescannt. Dabei entstehen sogenannte Sekundärelektronen, die von einem Detektor aufgefangen werden. Dabei entsteht Punkt für Punkt und Zeile für Zeile ein Bild, das auf einem Bildschirm beobachtet werden kann. Rasterelektronenmikroskope verfügen über einen ca. 30 bis 500 000-fachen Vergrößerungsbereich und besitzen ein Auflösungsvermögen zwischen 2 und 6 nm.

Auf dieser Internetseite ist ein virtuelles Rasterelektronenmikroskop (https://myscope-explore.org/virtualSEM_explore.html). Hier kann man sich eine Probe wählen, und dann Schritt für Schritt das Mikroskop bedienen, fast als hätte man einrichtiges Mikroskop unter den Händen.

TEM - Transmissionselektronenmikroskop

Das Transmissionselektronenmikroskop ähnelt sehr stark einem Lichtmikroskop. Hier wird die Probe von einem Elektronenstrahl durchstrahlt und auf der anderen Seite der Probe entsteht dann das Bild der Probe. Diese Mikroskope können noch kleinere Strukturen sichtbar machen. Allerdings ist es sehr aufwändig die Proben vorzubereiten, die sehr dünn sein müssen, so dass der Elektronenstrahl nicht von der Probe absorbiert wird. Das TEM erzeugt also ein Durchlicht-Elektronenbild mit einer 100 bis 500 000-fachen Vergrößerung und einem Auflösungsvermögen von etwa 0,2 nm. Es ist also sogar möglich auf einigen Bildern einzelne Atome zu erkennen.

Auf dieser Internetseite ist ein virtuelles Transmissionselektronenmikroskop zu finden (http://vlabs.iitb.ac.in/vlabs-dev/labs/electron-microscopy/experiments/transmission-electron-microscope-iitk/simulation.html). Wenn man links oben den Instruktionen folgt, dann kann man - fast wie bei einem richtigen TEM - das Bild einer Probe sehen. Der Aufbau eines Transmissionselektronenmikroskops ist dem eines Lichtmikroskopes sehr ähnlich. Der größte Unterschied ist, dass man statt Linsen aus Glas Spulen, also Elektromagneten verwenden muss, um den Elektronenstrahl entsprechend zu bündeln und zu lenken. Auf der Seite https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/ausblick/transmissions-elektronen-mikroskop-tem ist der Aufbau eines Transmissionselektronenmikroskops sehr genau beschrieben und abgebildet.

Rastersondenmikroskope

Man kann Strukturen, die kleiner als 100 nm sind zwar nicht mehr sehen, aber man hat tatsächlich mehrere Methoden entwickelt, um den Aufbau und unterschiedliche physikalische Eigenschaften von solchen Strukturen zu "fühlen". Oberflächen lassen sich mit winzigen Sonden abtasten. Dabei kann nicht nur die Struktur einer Oberfläche untersucht werden sondern auch physikalische Eigenschaften, wie

  • elektrische Leitfähigkeit
  • Magnetismus
  • Adhäsion ("Klebrigkeit")

lassen sich zum Teil bis auf einzelne Atome genau analysieren und visualisieren. In einer Broschüre des Hamburger Kompetenzzentrums für Nanoanalytik sind die Funktionsweisen einiger Rastersondenmikroskope beschrieben. Im Folgenden sind die Funktionsprinzipien nur grob umrissen.

Motoren aus Piezokristallen

Rastersondenmikroskope haben eines gemeinsam: Sie haben Sonden, mit denen eine Oberfläche abgetastet wird, ganz ähnlich einem Schallplattenspieler oder einem winzigen Blindenstock. Diese sonden können mit speziellen Motoren aus Piezokristallen so präzise bewegt werden, dass eine Oberfläche auf Bruchteile eines Atomdurchmessers genau erfühlt werden kann. Piezokristalle haben die besondere Eigenart, dass sie sich verformen, wenn man an sie eine Spannung anlegt.

Rastertunnelmikroskope

Wenn man eine sehr spitze Sonde als einen "Fühler" sehr nah über eine elektrisch leitfähige Oberfläche hält, dann sollte eigentlich kein Strom fließen, denn Luft und Vakuum leiten keinen Strom. Doch tatsächlich ist ein sehr kleiner Strom messbar, ein sogenannter "Tunnelstrom". Eigentlich sollten die Elektronen der untersuchten Oberfläche nicht bis zur Sonde des Mikroskops gelangen, weil sie nicht genug Energie haben, um ihr Material zu verlassen. Aber die Energien der Elektronen sind nicht alle gleich und ein paar wenige haben dann zufällig doch genug Energie, um zur Sonde des Mikroskopes zu gelangen. Dieser sehr geringe Strom, der dabei entsteht, heißt Tunnelstrom. Der Tunnelstrom ist sehr stark von der Entfernung der Sonde zur Oberfläche der untersuchten Probe abhängig. Wenn man nun eine Oberfläche Punkt für Punkt abrastert, und an jedem Punkt den Tunnelstrom misst, dann erhält man so ein Bild der Oberfläche des Materials. Dabei lassen sich sogar einzelne Atome sichtbar machen.

Rasterkraftmikroskope

Wenn man eine Spitze Sonde vorsichtig über eine Probe "krazt", kann man auch die Oberfläche eines Mterials erkunden. Allerdings kann das auch die Oberfläche des untersuchten Materials und auch die Spitze der Sonde beschädigen. Solche mikroskopischen Bilder sind daher nicht sehr genau. Allerdings lässt sich auch diese Methode verfeinern: Wenn man die Sonde in Schwingungen versetzt und sie so einer Oberfläche nähert, dann ändert sich die Schwingungsfrequenz sogar schon dann, wenn die Oberfläche der Probe noch gar nicht berührt wurde. Mit dieser berührungslosen Rasterkraftmikroskopie kann man auch solche Materialien aufs Atom genau untersuchen, die keinen Strom leiten.

Magnetkraftmikroskopie

Wenn man in einem Rsterkraftmikroskop eine magnetische Sonde verwendet, um eine Probe abzutasten, dann erhält man ein sehr genaues Bild über die magnetischen Eigenschaften einer Probe. Auch das gelingt manchen Forschungsgruppen schon aufs Atom genau.



Backlinks:
2 Physikbücher:BGPhysik13-1