Feldelektronenmikroskop

Das Feldelektronenmikroskop (auch: Feldemissionsmikroskop, selten: Spitzenübermikroskop) gehört zu den hochauflösenden Mikroskopen, mit denen eine räumliche Auflösung im atomaren Bereich möglich ist. So können in zu untersuchenden Proben Atome sichtbar gemacht werden.

Dieses Instrument ist 1936 von Erwin Wilhelm Müller entwickelt worden.

Aufbau

Im Prinzip besteht dieses Instrument aus einem hochevakuierten Glaskolben, der als Anode fungiert. In diesem befindet sich eine feine Spitze (ihr Durchmesser ist kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes, er beträgt einige nm) - zum Beispiel eine Wolfram-Nadel - welche die Kathode darstellt. Ein Potentialunterschied von einigen Kilovolt zwischen Kathode und Anode erzeugt ein annähernd kugelsymmetrisches elektrisches Feld. Bei Feldstärken von über 10⁹ V/m werden Elektronen aus der Kathode ausgelöst (Feldemission, begünstigt durch den Tunneleffekt) und zur Anode hin beschleunigt. Auf einer lumineszierenden Schicht im Glaskolben erscheint dann ein millionenfach vergrößertes Bild der Kathodenspitze.

Funktionsweise

Auf dem Schirm sieht man das Emissionsvermögen der Nadelspitze und damit eine Art Abbild der atomaren Struktur des Kathoden-Kristalls. Denn die Elektronen von den Orten der Oberfläche, wo die Austrittsarbeit ein Minimum annimmt, lassen sich leichter herauslösen und werden zur Anode (Leuchtschirm) hin beschleunigt. Auf Grund der Entfernung zwischen Kathode und Anode sowie der Kugelsymmetrie erhält man auf dem Leuchtschirm ein Muster, was die vergrößerte Spitze darstellt. Die Vergrößerung kann bis zu 500.000-fach betragen.

Wenn man andere Stoffe - zum Beispiel Barium - auf die Spitze aufdampft, dann kann man ein Bild einzelner solcher Atome auf der Spitze erhalten und auch die Wärmebewegung dieser Atome sichtbar machen.

Das Einbringen von Heliumgas bewirkt, dass im starken Feld der Nadelspitze dem Helium ein Elektron entrissen wird und das positive Helium-Ion zur lumineszierenden Schicht hin beschleunigt wird. Da die De-Broglie-Wellenlänge der Helium-Ionen kleiner ist als die der Elektronen, wird bei geringer Temperatur das Auflösungsvermögen gesteigert, es können Vergrößerungen bis zum 2.000.000-fachen erreicht werden. Der ganze Aufbau erinnert dann an ein Helium-Ionen-Mikroskop, bei dem allerdings der erzeugte Helium-Ionen-Strahl auf das zu untersuchende Objekt trifft, also nicht die Kathode das vergrößert abzubildende Objekt ist.

Verwandte hochauflösende Mikroskoptypen

• Transmissions-Elektronenmikroskop
• Raster-Elektronenmikroskop
• Rastertunnelmikroskop
• Rasterkraftmikroskop
• Helium-Ionen-Mikroskop
• Focused-Ion-Beam-Mikroskop
• Feldionenmikroskop

Literatur

• Erwin Wilhelm Müller: Versuche zur Theorie der Elektronenemission unter der Einwirkung hoher Feldstärke, Phys. Z. 37 838 (1936)
• Richard Phillips Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands: Feynman Vorlesungen über Physik. 2. Elektromagnetismus und Struktur der Materie. 2001 Oldenbourg Wissenschaftsverlag ISBN 3-486-25589-4 (im Web verfügbar: Googlebooks)

Weblinks

• Gebrauchsanweisung Teil 1 und Teil 2 eines Feldelektronenmikroskops für Unterrichtszwecke
• Schemazeichnung und Abbildung (LEIFI)