Welche Vorteile bietet ein Elektronenmikroskop?

Die Auflösung eines Lichtmikroskopes wird durch das Verhältnis von Wellenlänge zu numerischer Apertur bestimmt, wie Ernst Abbe 1870 zeigte. Die Auflösungsgrenze liegt bei etwa 200 nm und kann verkleinert werden, indem man zu kleineren Wellenlängen übergeht. Aus diesem Grund kommen die Elektronen ins Spiel.

Wegen des Wellen/Teilchendualismus, den Louis de Broglie 1924 entdeckte, kann man jedem Elektron eine bestimmte Wellenlänge zuordnen. Sie hängt nur von der Energie des Elektrons ab. Da man ein Elektron durch Anlegen einer Spannung beschleunigen kann, ist es einfach, seine Wellenlänge unter die kürzeste noch sichtbare Lichtwellenlänge zu verkleinern. Bei einer Beschleunigungsspannung von 100 kV lässt sich theoretisch eine Auflösung von 0.037 Å erreichen. Um Elektronenstrahlen zu fokussieren, werden rotationssymmetrische elektromagnetische Felder eingesetzt. Wegen der in einem solchen System unvermeidbaren Abbildungsfehler ist aber die tatsächlich erreichbare Auflösung rund hundert Mal schlechter als das theoretische Limit.

Um sich der theoretischen Auflösungsgrenze anzunähern, müssen Korrektorelemente in den Strahlengang eingebracht werden. Das sind Multipolelemente, die den chromatischen Fehler und/oder Öffnungsfehler der Linsen korrigieren. Mit solchen Elementen liegt die Auflösungsgrenze eines 200 kV TEM bei 0.6Å, ohne Korrektor nur bei 2Å.

Man kann das Auflösungsvermögen noch weiter verbessern, indem man die Beschleunigungsspannung erhöht. Dabei riskiert man jedoch, die untersuchte Probe zu schädigen.

Heutzutage sind Elektronenmikroskope aus der naturwissenschaftlichen Forschung nicht mehr wegzudenken. Hier einige Beispiele für ihre Einsatzmöglichkeiten:

• Biologie: Erforschung der Neuronenstruktur und des zellulären Stoffwechsels
• Medizin: Untersuchung von Viren
• Materialwissenschaft: Sichtbarmachen der atomaren Struktur nichtidealer Kristalle (zum Beispiel an Korngrenzen). Ideale Kristalle können hervorragend mit Beugungstechniken untersucht werden.
• Halbleiterindustrie: Kontrolle der interatomaren Abstände mit Hilfe der hohen Auflösung
• Für alle Materialien ist eine ortsaufgelöste Spektroskopie und damit die Analyse der elementaren Zusammensetzung möglich.