Physikalische Werkstoffdiagnostik

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. VLM - Lichtmikroskopie

   Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

   Zusammenfassung

   Erste Mikroskope wurden von Z. JANSSEN und A. v. LEEUWENHOEK bereits im 17. Jh. gebaut. Spätere Wegbereiter des Gerätes waren u.a. O. SCHOTT, E. ABBE und A. KÖHLER. Das vom Objekt kommende Licht wird durch eine Kombination von zwei Linsen (Objektiv und Okular) optisch abgebildet, wobei vom Objektiv zunächst ein reelles Zwischenbild erzeugt wird, das durch das Okular vergrößert betrachtet werden kann.

3. SNOM - Optische Rasternahfeldmikroskopie

   Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

   Zusammenfassung

   Bei der optischen Rasternahfeldmikroskopie gelingt es, das in der Lichtmikroskopie geltende Abbe-Auflösungslimit durch eine spezielle Messanordnung zu unterschreiten. Das Licht wird durch eine hohle Messspitze geleitet, welche am Ende eine mikroskopische Apertur besitzt. Die Probe wird wenige Nanometer entfernt von der Austrittsstelle des Lichts positioniert. Das reflektierte oder transmittierte Licht gelangt in einen hochempfindlichen Detektor, dessen Ausgangssignal zur Bilddarstellung benutzt wird.

4. REM - Rasterelektronenmikroskopie

   SEM - Scanning Electron Microscopy Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

   Zusammenfassung

   Das Verfahren basiert auf Arbeiten von E. RUSKA (erstes TEM) und M. v. ARDENNE (Rasterprinzip) in den 1930er Jahren. Ein fein fokussierter Elektronenstrahl wird über die Probenoberfläche gerastert und erzeugt dort innerhalb des Wechselwirkungsvolumens Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen. Diese werden mit einem Detektor erfasst und in ein Helligkeitssignal für die Bilddarstellung umgewandelt.

5. TEM - Transmissionselektronenmikroskopie

   TEM - Transmission Electron Microscopy Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

   Zusammenfassung

   Das Prinzip des TEMs beruht auf Arbeiten von E. RUSKA. Ein fokussierter, hoch beschleunigter Elektronenstrahl durchdringt ein dünnes, elektronentransparentes Objekt und erzeugt auf einem dahinter angeordneten Leuchtschirm bzw. einer CCD-Kamera eine Abbildung, wobei die de-Broglie-Wellenlänge der Elektronen eine prinzipielle Ortsauflösung ermöglicht, die weit kleiner ist als die Atomabstände. Verschiedene Abbildungsmodi erlauben die Untersuchung unterschiedlicher Aspekte im Probenmaterial.

6. EFTEM - Energiegefilterte Transmissionselektronenmikroskopie

   Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

   Zusammenfassung

   Im Transmissionselektronenmikroskop durchdringen hochbeschleunigte Elektronen eine dünne Festkörperlamelle und erleiden infolge inelastischer Streuung an den Elektronenhüllen spezifische Energieverluste, welche von der Zusammensetzung, vom kristallinen Aufbau und von den Bindungsverhältnissen im Festkörper abhängen. Bei der energiegefilterten Abbildung werden zur Bilddarstellung nur Elektronen aus einem spezifischen Energiefenster genutzt. Damit lassen sich Elementverteilungsbilder („Mappings“) erzeugen.

7. HIM - Helium-Ionen-Mikroskopie

   Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

   Zusammenfassung

   Ein Helium-Ionen-Mikroskop gleicht in vielen Merkmalen einem Rasterelektronenmikroskop, wobei die Probe aber nicht mit Elektronen, sondern mit Heliumionen beschossen wird. Eine Ionenoptik sorgt für eine extrem starke Bündelung des Teilchenstrahls und mittels einer Ablenkeinheit wird der Strahl analog zum REM über die Probe gerastert. Dort erzeugen die auftreffenden Teilchen eine große Zahl von Sekundärelektronen, welche zur Bilddarstellung genutzt werden. Die erzielbaren Auflösungen sind besser als die im REM, weil der Ionenstrahl in der Probe nicht so stark aufgeweitet wird.

8. FIB - Ionenfeinstrahltechnik

   Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

   Zusammenfassung

   Dieses, meist Focused Ion Beam (FIB) genannte Verfahren hat sehr viele Parallelen zur Rasterelektronenmikroskopie, weshalb man diese Technik häufig mit letzterer in einem Zweistrahlgerät kombiniert. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Verfahren besteht in der Art der Primärteilchen, welche beim FIB meist Galliumionen aus einer Flüssigmetallionenquelle sind. Diese werden in Richtung der Probe beschleunigt, fein fokussiert und in einem genau definierten Probenbereich gerastert, wo gezielt Material abgesputtert wird. An den Seitenwänden des entstehenden Sputterkraters liegen danach nahezu artefaktfreie Querschnitte vor, welche für REM-Querschnittsabbildungen genutzt werden. Auch für das TEM ist dies eine Standardpräparationsmethode.

9. AFM - Rasterkraftmikroskopie

   Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

   Zusammenfassung

   Im Rasterkraftmikroskop wird eine sehr feine Messspitze wird mit hoher Genauigkeit im Bereich der Nahfeldwechselwirkung über eine Oberfläche bewegt. Die Oberflächenstruktur der Probe lenkt dabei den Biegebalken mit der Spitze positionsabhängig aus, was typischerweise mit optischen Sensoren gemessen wird und ein Maß für die zwischen Spitze und Oberfläche wirkenden atomaren Kräfte darstellt. Das punktweise quantitative Aufzeichnen dieser Kräfte über ein bestimmtes Probengebiet wird zur Bilddarstellung verwendet.

10. Magnetooptische KERR-Mikroskopie

    Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

    Zusammenfassung

    Die Methode basiert auf dem vom schottischen Physiker J. KERR 1876 entdeckten magneto-optischen Kerr-Effekt (MOKE), der nicht mit dem ebenfalls von J. KERR 1875 beschriebenen elektro-optischen Kerr-Effekt zu verwechseln ist. Dabei wird die Polarisationsebene des in ein Polarisationsmikroskop einfallenden, linear polarisierten Lichtstrahls bei Reflexion an einer ferromagnetischen Probenoberfläche proportional zu deren Magnetisierung um den Kerr-Winkel gedreht. Die Änderung des Kerr-Winkels stellt damit ein Maß für die Magnetisierungsrichtung der Probe dar.

11. 3D-AP - Atomsonde

    Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

    Zusammenfassung

    Dieses Verfahren ist auch als Local Electrode^TM Atom Probe (LEAP) oder Atom Probe Tomography (APT) bekannt und wurde 1967 von E.W. MÜLLER und J.A. PANITZ vorgestellt. Es kombiniert ein Feldionenmikroskop mit einem Massenspektrometer und ist das einzige Verfahren zur Materialanalyse, welches Informationen über die Zusammensetzung und gleichzeitig eine 3D-Abbildung im atomaren Maßstab liefert.

12. Thermographie

    Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

    Zusammenfassung

    Das Verfahren basiert auf Arbeiten von F.W. HERSCHEL, der im Jahr 1800 die Infrarotstrahlung der Sonne nachgewiesen hat. Die Thermographie ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung der Oberflächentemperatur von Objekten. Dabei wird die Intensität der Infrarotstrahlung, die von einem Probenpunkt ausgeht, als Maß für dessen Temperatur verwendet. Eine Thermographiekamera wandelt die für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotstrahlung in elektrische Signale um und erzeugt ein Falschfarbenbild.

13. TherMoiré

    Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

    Zusammenfassung

    Das Verfahren geht auf Arbeiten von Ch. UME (Georgia Tech, Atlanta) zurück. Es basiert auf der Analyse von Schattenmoirémustern, die meist viermal vom Messobjekt aufgenommen und überlagert werden. Daraus entsteht ein Phasenbild, aus dem die Höheninformationen zur Feststellung der Objektverbiegung gewonnen werden können.

14. RGS - Röntgengrobstrukturinspektion X-ray Radiography

    Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

    Zusammenfassung

    Ein aus einer Strahlenquelle (Röntgenröhre, Radionuklid bei „Gammadefektoskopie“) austretender Primärstrahl wird mittels einer Bleiblende (Vermeidung von Streustrahlung) ausgeblendet und auf das Untersuchungsobjekt ausgerichtet (W.C. RÖNTGEN, 1895). Als Detektoren kommen Röntgenfilme, Leuchtschirme oder digital auslesbare Systeme wie Image Plates oder Festkörperdetektoren zum Einsatz. Zur Durchstrahlung der Probe wird die Bremsstrahlung ausgenutzt. Ziel ist die Abbildung eines hohen Kontrastunterschieds (Absorptionskontrast) der in der Probe befindlichen Bestandteile inklusive der Fehler.

15. XCT - Röntgen-Computertomographie

    Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

    Zusammenfassung

    Bei dieser Technik wird das zwischen Röntgenröhre und Flächendetektor angeordnete Objekt in definierten Winkelschritten gedreht und je ein zweidimensionales Radiographiebild detektorseitig registriert. In der Detektorebene wird somit die Absorption der Röntgenstrahlen längs einer Vielzahl von Geraden von der Röntgenquelle zum Detektor in einer Ebene (Linienintegrale) längs eines Weges als Grauwert eines Pixels bestimmt. Die heute meist genutzte Variante zur Rekonstruktion zweidimensionaler Absorptionsschnittbilder aus den Messwerten ist die sog. gefilterte Rückprojektion. Das softwaregestützte Zusammenfügen dieser Bilder ermöglicht anschließend die Visualisierung eines 3D-Volumenmodells des Objekts.

16. XCL - Röntgen-Computerlaminographie / Planartomographie

    Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

    Zusammenfassung

    Bei der Laminographie werden analog zur Computertomographie aus verschiedenen Aufnahmen mit jeweils integralen Schwächungsinformationen Schnittebenen der untersuchten Proben rekonstruiert. Im Gegensatz zur Tomographie wird keine Kreisbewegung der Röntgenröhre und des Detektors um die Probe (Medizin) bzw. keine Probenrotation (Technik) ausgeführt. Die Röntgenröhre und der Detektor bewegen sich in zueinander parallelen Ebenen auf gegenüberliegenden Seiten der Probe. Dies ermöglicht die Bewegung der Röhre nah am Bauteil und damit hohe Vergrößerungen.

17. XRM - Röntgenmikroskopie

    Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

    Zusammenfassung

    G. SCHMAHL ist einer der Wegbereiter für diese Methode. Grundsätzlich sind zwei Grundtypen von Röntgenmikroskopen zu unterscheiden. Die Röntgenschattenmikroskope, welche nach dem einfachen Projektionsprinzip arbeiten, und solche mit fokussierenden optischen Elementen, welche entweder Fresnel-Zonenplatten, Multi-Layer-Laue-Linsen (in Entwicklung) oder refraktive Röntgenlinsen sein können.

18. EBIC - Electron Beam Induced Current, EBAC - Electron Beam Absorbed Current

    Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

    Zusammenfassung

    Für beide Verfahren ist zwingend ein Rasterelektronenmikroskop notwendig. Beim EBIC erzeugen die in die Probe eindringenden Primärelektronen Elektronen-Loch-Paare, wenn sie auf einen Halbleiter treffen. Beim EBAC entsteht ein Stromfluss durch die vom Primärstrahl stammenden Elektronen, vermindert um die Rückstreu- und Sekundärelektronenemission. Die erzeugten Ströme werden einem hochempfindlichen Verstärker zugeführt und anschließend als Bildsignal in die Videoeinheit des REMs eingespeist. Damit lassen sich elektrische Fehler auf dem Chip lokalisieren.