Viele Dinge, die unseren Alltag beherrschen, sind extrem klein – Nanostrukturen in Mikrochips zum Beispiel. Unter dem Lichtmikroskop kann man sie nur schwer oder gar nicht erkennen. Mit Elektronen hingegen lassen sich auch solche winzigen Strukturen betrachten. Sie sind Quantenobjekte, die sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften haben. Im Gegensatz zu Lichtwellen sind dies aber Materiewellen, da Elektronen eine endliche, sehr kleine Ruhemasse besitzen (me0= 9,1 x 10-31 kg).
Strahlführung bei einem Transmissionselektronenmikroskop im Beugungsmodus.
Treffen diese Wellen auf Atome, werden sie gebeugt. An jedem Atom entsteht eine neue Materiewelle; diese überlagern sich und bilden charakteristische Interferenzmuster. Aus diesen Mustern kann man die Anordnung der Atome und ihre Abstände in Elementarzellen bestimmen. Einkristalle ergeben Punktmuster, Vielkristalle ergeben Ringe.
Treffen Elektronen auf einen Einkristall (links), dann werden sie gebeugt und ein Punktmuster entsteht. Bei einem Vielkristall (rechts) ergeben sich Ringe.
Die Bildentstehung im Hellfeldmodus beruht auf:
Abgelenkte Strahlen werden durch eine Blende abgeschirmt, so dass Elektronenstrahlen von dieser Probenstelle nicht mehr auf dem Schirm auftreffen. Der Hell-/Dunkel-Kontrast entsteht also dadurch, dass nur der Zentralstrahl zur Bildentstehung beiträgt.
Bei hochauflösender Mikroskopie tragen dagegen alle Elektronenstrahlen zur Bildentstehung bei. Das Bild entsteht durch Überlagerung aller Elektronenwellen, wobei der Kontrast durch die gegenseitige Phasenlage der Elektronenwellen bestimmt wird (Phasenkontrast).
Links: Schema des TEM im Hellfeldmodus. Rechts: Zoom in eine Goldschicht, ausgehend von der Dicke eines menschlichen Haares bis hin zu atomarer Auflösung.
