Sekundärelektronenmikroskopie

Sekundärelektronenmikroskopisches Bild des Kopfs einer Ameise

Bei der Sekundärelektronenmikroskopie handelt es sich um die Standardbetriebsart des Rasterelektronenmikroskops (engl. Scanning electron microscope, SEM).

Beim SEM wird - wie auch beim Raster-Transmissionselektronenmikroskop (engl. Scanning Transmission Electron Microscope, STEM) - der Elektronenstrahl vom Kondensor-Objektiv-System auf die Probe zu einem möglichst kleinen Fleck fokussiert und zeilenweise über den zu untersuchenden Probenbereich geführt.

SEM und STEM dürfen nicht mit Rastertunnelmikroskopie (engl. Scanning Tunneling Microscopy, (STM)) verwechselt werden, bei der kein elektronenoptisch erzeugter Elektronenstrahl benutzt wird, sondern der quantenmechanisch erklärbare Tunnelstrom zwischen untersuchter Probe und einer mechanisch geführten leitfähigen Spitze gemessen wird.

Bei der Sekundärelektronenbetriebsart des SEM werden nicht die primären Elektronen, mit denen das Objekt bestrahlt wird, sondern die durch die Bestrahlung in der Probe erzeugten Sekundärelektronen (engl. Secondary Electrons, SE), die die Probe in der Regel auf derselben Seite verlassen, von der der primäre Elektronenstrahl eingetreten ist, detektiert. Ebenfalls wie bei der STEM wird anhand des Detektionszeitpunktes das Signal einem Punkt auf der Probenoberfläche zugeordnet und somit ein gerastertes Bild der Probe erzeugt.

Sekundärelektronen sind Elektronen, die im Laufe des Anregungsprozesses durch die primären Elektronen von einem schwach gebundenen Zustand (siehe Austrittsarbeit) gelöst werden und eine zumeist geringe Bewegungsenergie (<50 eV) erhalten. Sie können die Probe nur verlassen, wenn sie nahe der Probenoberfläche erzeugt wurden, denn langsame Elektronen werden im Material stark absorbiert. Je flacher der primäre Elektronenstrahl auf die Oberfläche fällt, desto mehr Sekundärelektronen können das Material verlassen und zum Detektor gelangen. Um die Effizienz zu erhöhen, wird an den Detektor eine positive Spannung von einigen 10 bis einigen 100V angelegt, was dazu führt, daß ein sehr großer Teil der emittierten SE auf den Detektor trifft. Der bei einer unebenen Oberfläche entstehende Kontrast erzeugt beim Beobachter einen plastischen Eindruck, der ähnlich wirkt wie der Kontrast einer durch Licht beleuchteten Oberfläche. Besonders hohe Signalstärken werden in der Nähe von Kanten erhalten. Die Schärfentiefe ist viel größer als bei einem Lichtmikroskop, da der Konvergenzwinkel des Elektronenstrahles sehr klein ist.

SEM enthalten kein die Probe abbildendes Objektiv- und kein Projektiv-Linsensystem. Allerdings wird gemeinhin die Linse, die letztendlich den Strahl auf die Probe fokussiert, als Objektiv bezeichnet. SEM werden mit erheblich niedrigeren Beschleunigungsspannungen als STEM oder TEM betrieben (bis zu einigen 10 kV), weil langsame Elektronen weniger tief in die Probe eindringen und weil in der Tiefe erzeugte Sekundärelektronen im Material wieder absorbiert werden, also nutzlos und wegen der unnötigen Probenaufheizung sogar schädlich sind.

Kommerzielle Rasterelektronenmikroskope bieten neben dem Sekundärelektronenmodus mindestens noch die Möglichkeit der Abbildung mit dem Rückstreuelektronensignal (Backscattered Electrons, BE (auch BSE), das sind um Winkel größer als 90° gestreute Primärelektronen). Vereinzelt wird auch SE-Detektion in der STEM benutzt, allerdings ergeben sich dort aufgrund der äußerst dünnen Proben nur sehr kleine SE-Ausbeuten und damit ein schwaches Signal.

Die Doppelbedeutung der Abkürzungen REM und SEM ist unglücklich. Sie bezeichnen einerseits die "Rasterelektronenmikroskopie" beziehungsweise englisch "Scanning Electron Microscopy", unabhängig davon, ob die zur Bestrahlung verwendeten Primärelektronen (BE) oder die in der Probe erzeugten Sekundärelektronen (SE) zur Bilderzeugung verwendet werden. Andererseits werden sie aber vereinzelt auch zur Bezeichnung der Sekundärelektronenmikroskopie, die auch eine Rasterelektronenmikroskopie darstellt, verwendet. Das rührt wahrscheinlich von einer fälschlichen Interpretation des anstelle des deutschen REM verwendeten englischen Akronyms SEM her. Da der Begriff der Rasterelektronenmikroskopie neben der SE-Mikroskopie weitere Methoden einschließt, ist es sinnvoll, den Abbildungsmodus bzw. das benutzte Signal als Zusatz anzugeben, z.B. SEM-SE oder SEM-BE bzw. REM-SE oder REM-RE (RE für Rückstreuelektronen).