Was ist ein Elektronenmikroskop?
Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskoptyp, bei dem - wie bei einem herkömmlichen Lichtmikroskop - Elektronen anstelle von Photonen zur Bildgebung verwendet werden. Da Elektronen eine viel kleinere Wellenlänge als Photonen haben, bieten sie eine viel größere Vergrößerung. Elektronen sind die winzigen „Satelliten“, die den Atomkern umkreisen und elektrische Ladung tragen - diese Teilchen sind so klein, dass sie in der Physik häufig als Punkte modelliert werden. Allerdings sind die Lichtwellen mit einer Wellenlänge von etwa 500 Nanometern für die Farbe Grün viel größer.
Die besten optischen Mikroskope bieten nur eine etwa 2000-fache Vergrößerung einer Probe, wohingegen einige Elektronenmikroskope eine Probe um das 50-Millionenfache vergrößern können. Im Gegensatz dazu ist 2 Millionen Mal typischer. Dies ergibt eine Auflösungsgrenze von etwa 0,1 Nanometern, mit der einzelne Atome auf einer Oberfläche beobachtet werden können. Das Elektronenmikroskop wurde 1931 erfunden, als der erste funktionierende Prototyp von Ernst Ruska und Max Knoll gebaut wurde. Ruska wurde schließlich für seine Leistungen mit dem Nobelpreis für Physik (1986) ausgezeichnet.
Es gibt vier Arten von Elektronenmikroskopen, wobei die ersten beiden am häufigsten vorkommen: das Transmissionselektronenmikroskop (TEM), das Rasterelektronenmikroskop (SEM), das Reflexionselektronenmikroskop (REM) und das Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM).
Das Transmissionselektronenmikroskop ist das ursprünglich erfundene Elektronenmikroskop. Mit einer für Elektronen semitransparenten Probe wird ein Elektronenstrahl direkt durch die Probe geschossen. Ein Empfänger auf der anderen Seite misst die Elektronendichte an jedem einzelnen Punkt und setzt sie zu einem Graustufenbild zusammen. Dies ist das Bild der Probe.
Ein Rasterelektronenmikroskop hat eine etwas geringere Auflösung als ein TEM, ist jedoch immer noch die beliebteste Variante des Elektronenmikroskops. Wie der Name schon sagt, scannt ein Rasterelektronenmikroskop einen Elektronenstrahl über die Probe. Anstatt den ursprünglichen Strahl auf Informationen über den Aufbau der Probe zu analysieren, nehmen Sensoren Sekundärelektronen auf, die durch Anregung des Primärstrahls von der Oberfläche der Probe freigesetzt werden. Dadurch wird eine gewisse Auflösung für ein 3D-Bild der Probe geopfert. Dies ist mehr als die Mühe wert, und SEMs sind dementsprechend die beliebtesten Elektronenmikroskope.
Die meisten Rasterelektronenmikroskope sind sehr teuer in Anschaffung und Wartung. Sie benötigen eine stabile Hochspannungsquelle, eine Vakuumpumpe und Kühlschlangen. Die Proben müssen in der Regel durch Auftragen einer dünnen Schicht aus leitfähigem Material wie Gold vorbereitet werden.