Van de elektronenmicroscoop zijn verschillende varianten ontwikkeld die elk hun eigen voor- en nadelen hebben en voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt.
Transmissie elektronenmicroscoop
Bij een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) stralen de elektronen door het preparaat en treffen op een scherm, dat het beeld van het object toont.
Rasterelektronenmicroscoop (Engels: Scanning Electron Microscope, SEM)
Bij de rasterelektronenmicroscoop wordt de elektronenstraal tot een zo klein mogelijke vlek gebundeld en regel voor regel over het te onderzoeken preparaatdeel geleid. Bij een vaak gebruikte meetmethode met dit systeem, de Scanning Electron Microscope (SEM) worden niet de elektronen, waarmee het object bestraald wordt, maar de door de bestraling uit het preparaat gestoten elektronen gemeten. De elektronen verlaten het preparaat aan die kant, waar de elektronenstraal getroffen heeft. De verdeling van de elektronen wordt met behulp van een detector en een versterker in optische signalen op een monitor omgezet.
Rasterkrachtmicroscoop (Engels: Atomic Force Microscopy, AFM)
Een bijzondere vorm van de rasterelektronenmicroscopie vormt de rasterkrachtmicroscopie. Hierbij wordt in de regel een spitse naald van enige 100 micrometer lengte (en in het optimale geval met een punt van maar een atoom) tot ongeveer een nanometer afstand van het preparaatoppervlak gebracht en in een raster erover geleid. Daarbij “voelt” de sensor een afstandsafhankelijke natuurkundige wisselwerking, veroorzaakt door de van der Waals krachten, die als meetsignaal dient.
Bij een rasterkrachtmicroscoop wordt de arm, waaraan zich de punt bevindt, bij contact met een atoom aan het oppervlak verbogen. Hierdoor wordt de reflectiehoek van een laserstraal meetbaar veranderd. Dit signaal wordt als driedimensionaal beeldinformatie door een computer geregistreerd en afgebeeld. Zo geproduceerde afbeeldingen lijken op het oppervlak van een eierdoos met inzinkingen en uitstulpingen. Iedere berg komt bij het goede onderscheidend vermogen overeen met een atoom.
Opdracht
4.4
Door welke inzicht werd de weg tot de bouw van een microscoop om in de nanokosmos door te
dringen geeffend?
4.5
Noem de twee belangrijkste verschillen tussen een optische microscoop en een elektronenmicroscoop.
4.6
Noem en omschrijf de drie analysemethoden, waarmee nanostructuren zichtbaar te maken zijn.
Het principe van de rasterelektronenmicroscoop valt dus het beste te vergelijken met een ouderwetse platenspeler. Een vlijmscherpe metalen naald – de punt is 1 atoom dik -, tast het oppervlak van het preparaat af. Het grote verschil met de platenspeler is dat de naald in de microscoop het preparaat net niet raakt. Door een elektrische spanning tussen naald en het preparaat gaat er een minuscule stroom lopen: de tunnelstroom. Daarom wordt dit type elektronenmicroscoop ook wel rastertunnelmicroscoop genoemd (RTM). De microscoop meet de stroom en stelt voortdurend de hoogte van de naald zodanig bij, dat de naald op een constante afstand van het oppervlak blijft. Als nu de naald parallel aan het oppervlak verschoven wordt, terwijl de stroom constant wordt gehouden, volgt de naald een hobbelpad – iets hoger boven een atoom en iets lager tussen de atomen in -, dat eruit ziet als de atomaire structuur van het oppervlak onder de naald. De bewegingen van de naald worden door een computer geregistreerd en op een beeldscherm zichtbaar gemaakt. De microscoop is in een vacuumkamer geplaatst om te voorkomen, dat het preparaat oxideert of verontreinigd wordt. Een andere toepassing van de RTM is het manipuleren van atomen. Het is gelukt om de atomen zo te verplaatsen, dat er verschillende figuren gemaakt konden worden. Theoretisch is het dus mogelijk om elke willekeurige stof of structuur op te bouwen uit moleculen. Maar de concrete toepassingen hiervan staan nog in de kinderschoenen.