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Was ist der Unterschied zwischen SEM, TEM und FESEM?

Tingting Z

Mar 4, 2023

Im Bereich der Materialwissenschaften ist es von entscheidender Bedeutung, die mikrostrukturellen und morphologischen Eigenschaften von Materialien zu verstehen. Die Mikroskopie hat in dieser Hinsicht eine bedeutende Rolle gespielt, und mit dem Fortschritt der Technologie wurden verschiedene Arten von Mikroskopen entwickelt. Unter ihnen sind Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) die am häufigsten verwendeten Techniken. Obwohl diese Techniken Ähnlichkeiten aufweisen, unterscheiden sie sich in ihren Funktionsprinzipien, ihrer Auflösung und den Anforderungen an die Probenvorbereitung. Dieser Artikel soll einen umfassenden Überblick über diese Techniken, ihre Prinzipien und ihre Anwendungen geben.

Was ist der Unterschied zwischen SEM, TEM und FESEM?

 

Im Bereich der Materialwissenschaften ist es von entscheidender Bedeutung, die mikrostrukturellen und morphologischen Eigenschaften von Materialien zu verstehen. Die Mikroskopie hat in dieser Hinsicht eine bedeutende Rolle gespielt, und mit dem Fortschritt der Technologie wurden verschiedene Arten von Mikroskopen entwickelt. Unter ihnen sind Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) die am häufigsten verwendeten Techniken. Obwohl diese Techniken Ähnlichkeiten aufweisen, unterscheiden sie sich in ihren Funktionsprinzipien, ihrer Auflösung und den Anforderungen an die Probenvorbereitung. Dieser Artikel soll einen umfassenden Überblick über diese Techniken, ihre Prinzipien und ihre Anwendungen geben.

 

Rasterelektronenmikroskopie (REM)

Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) ist eine weit verbreitete Technik zur Abbildung der Oberfläche von Materialien. Das REM funktioniert, indem ein fokussierter Elektronenstrahl über die Oberfläche der Probe geführt wird und die von der Probe emittierten Sekundärelektronen erfasst werden. Die Sekundärelektronen werden von einem Detektor erfasst, der das Signal in ein Bild umwandelt. REM ist eine zerstörungsfreie Bildgebungstechnik und kann hochauflösende Bilder der Oberfläche einer Vielzahl von Materialien liefern, darunter Metalle, Keramiken, Polymere und biologische Materialien.

SEM arbeitet unter Hochvakuumbedingungen und die Proben müssen leitfähig oder mit einem leitfähigen Material wie Gold oder Kohlenstoff beschichtet sein. Der im SEM verwendete Elektronenstrahl hat eine hohe Energie, typischerweise zwischen 5 und 30 keV, was ein tieferes Eindringen in die Probe ermöglicht. Die Auflösung von SEM hängt von mehreren Faktoren ab, darunter der Energie des Elektronenstrahls, der Größe des Elektronenflecks und dem Abstand zwischen der Probe und dem Detektor. Die typische Auflösung von SEM liegt im Bereich von einigen Nanometern bis zu einigen zehn Nanometern.


Die von SEM erzeugten Bilder können Informationen über die Oberflächenmorphologie, Topographie und Zusammensetzung der Probe liefern. Neben der Bildgebung kann SEM auch zur Elementanalyse verwendet werden, wobei energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) oder wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie (WDS) zum Einsatz kommt. EDS und WDS sind Techniken zur Bestimmung der Elementzusammensetzung einer Probe durch Messung der Röntgenstrahlen, die emittiert werden, wenn die Probe mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl bombardiert wird.

 

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine leistungsstarke Technik zur Abbildung der Mikrostruktur von Materialien mit hoher Auflösung. Bei der TEM wird ein fokussierter Elektronenstrahl durch eine dünne Probe geleitet und die Elektronen werden erfasst, die durch die Probe hindurchgehen. Die Elektronen, die durch die Probe hindurchgehen, werden auf einen fluoreszierenden Schirm oder einen Detektor fokussiert, der ein Bild erzeugt.


TEM wird unter Hochvakuumbedingungen betrieben und die Proben müssen dünn genug sein, damit die Elektronen hindurchdringen können. Die Probenvorbereitung für TEM erfordert das Verdünnen der Probe auf eine Dicke von einigen Nanometern mithilfe von Techniken wie Ionenstrahlätzen, chemischem Ätzen oder mechanischem Polieren. TEM kann hochauflösende Bilder der Mikrostruktur einer Vielzahl von Materialien liefern, darunter Metalle, Keramiken, Polymere und biologische Materialien.


Die Auflösung von TEM wird durch die Wellenlänge der im Strahl verwendeten Elektronen bestimmt. Die Wellenlänge von Elektronen ist viel kürzer als die von sichtbarem Licht, wodurch eine viel höhere Bildauflösung möglich wird. Die typische Auflösung von TEM liegt im Bereich von einigen Zehnteln bis einigen Nanometern.


Die von TEM erzeugten Bilder können Informationen über die Mikrostruktur, die Kristallstruktur und Defekte in der Probe liefern. Neben der Bildgebung kann TEM auch zur Elementanalyse verwendet werden, wobei energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) oder Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) zum Einsatz kommt. EDS und EELS sind Techniken, mit denen die Elementzusammensetzung einer Probe bestimmt wird, indem die Röntgenstrahlen oder Elektronen gemessen werden, die emittiert werden, wenn die Probe mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl bombardiert wird.

 

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM)

Die Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) ist eine Art von SEM, die eine höhere Auflösung als herkömmliche SEM liefert. FESEM funktioniert, indem ein Elektronenstrahl auf einen kleinen Bereich der Probenoberfläche fokussiert wird und die von der Probe emittierten Sekundärelektronen erfasst werden. Die Sekundärelektronen werden von einem Detektor erfasst, der das Signal in ein Bild umwandelt. FESEM arbeitet unter Hochvakuumbedingungen und die Proben müssen leitfähig oder mit einem leitfähigen Material wie Gold oder Kohlenstoff beschichtet sein.

FESEM verwendet eine Feldemissionselektronenquelle, die einen hochintensiven Elektronenstrahl mit einer sehr kleinen Elektronenfleckgröße erzeugt. Dies ermöglicht eine Bildgebung mit höherer Auflösung als bei herkömmlichen SEM. Die typische Auflösung von FESEM liegt im Bereich von einigen Nanometern bis zu mehreren zehn Nanometern.


Die von FESEM erzeugten Bilder können Informationen über die Oberflächenmorphologie, Topographie und Zusammensetzung der Probe liefern. Neben der Bildgebung kann FESEM auch zur Elementanalyse verwendet werden, wobei energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) oder wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie (WDS) verwendet wird, ähnlich wie SEM.

 

Unterschiede zwischen SEM, TEM und FESEM

Obwohl SEM, TEM und FESEM einige Gemeinsamkeiten aufweisen, unterscheiden sie sich in ihren Funktionsprinzipien, ihrer Auflösung und den Anforderungen an die Probenvorbereitung. SEM liefert hochauflösende Bilder der Oberfläche einer Vielzahl von Materialien, während TEM hochauflösende Bilder der Mikrostruktur von Materialien liefert. FESEM liefert Bilder mit höherer Auflösung als herkömmliches SEM, konzentriert sich aber immer noch auf die Oberflächenabbildung und nicht auf die Mikrostrukturabbildung. Die Auflösung von SEM und FESEM liegt typischerweise im Bereich von einigen Nanometern bis zu einigen zehn Nanometern, während TEM Bilder mit höherer Auflösung im Bereich von einigen Zehnteln bis zu einigen Nanometern liefert.

Auch die Anforderungen an die Probenvorbereitung unterscheiden sich zwischen den Techniken. SEM und FESEM erfordern leitfähige oder beschichtete Proben, während TEM dünne Proben erfordert, die Elektronen durchlassen. Die Probenvorbereitung für SEM und FESEM ist im Allgemeinen weniger zeitaufwändig als bei TEM, das eine umfangreichere Probenvorbereitung erfordert, z. B. das Verdünnen der Probe auf eine Dicke von einigen Nanometern.

 

Anwendungen von SEM, TEM und FESEM

Die Anwendungen von SEM, TEM und FESEM sind weit verbreitet und vielfältig und erstrecken sich über eine Vielzahl von Bereichen, darunter Materialwissenschaften, Biologie, Chemie und Physik. SEM wird häufig zur Oberflächenabbildung von Materialien verwendet, darunter Metalle, Keramik, Polymere und biologische Materialien. Es wird auch für die Elementanalyse mithilfe von EDS oder WDS verwendet. SEM wird in einer Vielzahl von Bereichen verwendet, darunter Metallurgie, Halbleiterindustrie und Forensik.


TEM wird zur hochauflösenden Abbildung der Mikrostruktur von Materialien, einschließlich Metallen, Keramiken, Polymeren und biologischen Materialien, verwendet. Es wird auch zur Elementanalyse mit EDS oder EELS verwendet. TEM wird häufig in der Materialwissenschaft, der Festkörperphysik und der Biologie verwendet.


FESEM wird für die hochauflösende Oberflächenabbildung von Materialien wie Metallen, Keramiken, Polymeren und biologischen Materialien verwendet. Es wird auch für die Elementanalyse mit EDS oder WDS verwendet. FESEM wird häufig in der Materialwissenschaft, der Halbleiterindustrie und der Nanotechnologie eingesetzt.

 

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SEM, TEM und FESEM leistungsstarke Techniken zur Abbildung der Mikrostruktur und Morphologie von Materialien sind. Jede Technik hat ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen, und die Wahl der Technik hängt von der spezifischen Anwendung und den erforderlichen Informationen ab. Mit dem Fortschritt der Technologie entwickeln sich diese Techniken ständig weiter und bieten Bilder mit noch höherer Auflösung und erweiterte Analysemöglichkeiten.

 

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