Transmissionselektronenmikroskopie

Die Transmissionselektronenmikroskopie ( TEM ) ist eine Mikroskopietechnik , bei der ein Elektronenstrahl durch eine Probe geleitet wird, um ein Bild zu erzeugen. Die Probe ist meist ein ultradünner Schnitt mit einer Dicke von weniger als 100 nm oder eine Suspension auf einem Trägernetz. Das Bild entsteht durch die Wechselwirkung der Elektronen mit der Probe während des Durchgangs des Strahls. Anschließend wird das Bild vergrößert und auf ein Abbildungsgerät fokussiert , beispielsweise einen Leuchtschirm , eine fotografische Filmschicht oder einen Detektor wie einen Szintillator an einem CCD-Sensor oder einen direkten Elektronendetektor .

Transmissionselektronenmikroskope (TEM) ermöglichen dank der geringeren De-Broglie-Wellenlänge der Elektronen eine deutlich höhere Auflösung als Lichtmikroskope . Dadurch können sie feinste Details erfassen – sogar einzelne Atomsäulen, die tausendfach kleiner sind als Objekte, die im Lichtmikroskop sichtbar sind. Die Transmissionselektronenmikroskopie ist eine wichtige Analysemethode in den physikalischen, chemischen und biologischen Wissenschaften. TEMs finden Anwendung in der Krebsforschung , Virologie und Materialwissenschaft sowie in der Umweltforschung , der Nanotechnologie und der Halbleiterforschung , aber auch in anderen Bereichen wie der Paläontologie und Palynologie .

TEM-Geräte verfügen über verschiedene Betriebsmodi, darunter konventionelle Bildgebung, Raster-TEM-Bildgebung (STEM), Beugung, Spektroskopie und Kombinationen dieser Verfahren. Selbst bei der konventionellen Bildgebung gibt es viele grundlegend verschiedene Arten der Kontrasterzeugung, sogenannte „Bildkontrastmechanismen“. Kontrast kann durch Positionsunterschiede in der Dicke oder Dichte („Masse-Dicke-Kontrast“), der Ordnungszahl („Z-Kontrast“, abgeleitet von der gängigen Abkürzung Z für Ordnungszahl), der Kristallstruktur oder -orientierung („kristallographischer Kontrast“ oder „Beugungskontrast“), die geringfügigen quantenmechanischen Phasenverschiebungen, die einzelne Atome bei durch sie hindurchtretenden Elektronen hervorrufen („Phasenkontrast“), den Energieverlust von Elektronen beim Durchgang durch die Probe („Spektrumabbildung“) und weitere Faktoren entstehen. Jeder Mechanismus liefert dem Anwender unterschiedliche Informationen, abhängig nicht nur vom jeweiligen Kontrastmechanismus, sondern auch von der Mikroskopnutzung – den Einstellungen von Linsen, Blenden und Detektoren. Das bedeutet, dass ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) eine außergewöhnliche Vielfalt an Informationen mit Nanometer- und atomarer Auflösung liefern kann und im Idealfall nicht nur die Position der Atome, sondern auch deren Art und Bindungsmuster aufzeigt. Aus diesem Grund gilt das TEM als unverzichtbares Werkzeug der Nanowissenschaften, sowohl in der Biologie als auch in der Materialwissenschaft.

Die erste TEM-Vorführung erfolgte 1931 durch Max Knoll und Ernst Ruska . Diese Gruppe entwickelte 1933 das erste TEM mit einer Auflösung, die größer war als die des Lichts, und 1939 das erste kommerzielle TEM. 1986 wurde Ruska für die Entwicklung der Transmissionselektronenmikroskopie mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet . ^{[ 2 ]}

Ernst Abbe schlug 1873 vor, dass die Auflösung von Details in einem Objekt annähernd durch die Wellenlänge des zur Bildgebung verwendeten Lichts oder, bei Mikroskopen für sichtbares Licht, durch einige hundert Nanometer begrenzt sei. Entwicklungen bei Ultraviolett- (UV-)Mikroskopen, maßgeblich vorangetrieben von Köhler und Rohr , verdoppelten das Auflösungsvermögen. ^{[ 3 ]} Dies erforderte jedoch aufgrund der Absorption von UV-Licht durch Glas teure Quarzoptiken. Man ging davon aus, dass die Gewinnung eines Bildes mit Informationen im Submikrometerbereich aufgrund dieser Wellenlängenbegrenzung nicht möglich sei. ^{[ 4 ]}

1858 beobachtete Plücker die Ablenkung von Kathodenstrahlen ( Elektronen ) durch Magnetfelder. ^{[ 5 ]} Ferdinand Braun nutzte diesen Effekt 1897 zum Bau einfacher Kathodenstrahloszilloskope (CRO). ^{[ 6 ]} 1891 stellte Eduard Riecke fest, dass sich Kathodenstrahlen durch Magnetfelder fokussieren lassen, was die Entwicklung einfacher elektromagnetischer Linsen ermöglichte. 1926 veröffentlichte Hans Busch eine Arbeit, die diese Theorie erweiterte und zeigte, dass die Linsenformel unter geeigneten Annahmen auch auf Elektronen anwendbar ist. ^{[ 2 ]}

1928 ernannte Adolf Matthias, Professor für Hochspannungstechnik und elektrische Anlagen an der Technischen Hochschule Charlottenburg (heute Technische Universität Berlin ), Max Knoll zum Leiter eines Forscherteams, das die Entwicklung von Oszilloskopen (CROs) vorantreiben sollte. Dem Team gehörten mehrere Doktoranden an, darunter Ernst Ruska und Bodo von Borries . Die Forscher arbeiteten an der Linsenkonstruktion und der Anordnung der CRO-Säulen, um Parameter für den Bau verbesserter CROs zu optimieren und elektronenoptische Komponenten zur Erzeugung von Bildern mit geringer Vergrößerung (nahezu 1:1) herzustellen. 1931 gelang es der Gruppe, vergrößerte Bilder von über der Anodenöffnung platzierten Drahtgittern zu erzeugen. Das Gerät nutzte zwei Magnetlinsen, um höhere Vergrößerungen zu erzielen und gilt als erstes Elektronenmikroskop . Im selben Jahr patentierte Reinhold Rudenberg , wissenschaftlicher Direktor der Siemens AG, ein elektrostatisches Linsenelektronenmikroskop . ^{[ 4 ] [ 7 ]}

Damals galten Elektronen als geladene Materieteilchen; ihr Wellencharakter wurde erst 1924 durch die Dissertation von Louis de Broglie vollständig erkannt. ^{[ 8 ]} Knolls Forschungsgruppe war diese Veröffentlichung bis 1932 unbekannt. Erst dann erkannten sie, dass die De-Broglie-Wellenlänge der Elektronen um viele Größenordnungen kleiner war als die des Lichts, was theoretisch Abbildungen auf atomarer Ebene ermöglichte. (Selbst für Elektronen mit einer kinetischen Energie von nur 1 Elektronenvolt beträgt die Wellenlänge bereits nur 1,18  nm .) Im April 1932 schlug Ruska den Bau eines neuen Elektronenmikroskops zur direkten Abbildung von Proben vor, die in das Mikroskop eingelegt wurden, anstatt einfacher Gitter oder Abbildungen von Aperturen zu verwenden. Mit diesem Gerät gelang die erfolgreiche Beugung und normale Abbildung eines Aluminiumblechs. Die erreichbare Vergrößerung war jedoch geringer als bei der Lichtmikroskopie. Im September 1933 wurden Vergrößerungen erzielt, die über die mit einem Lichtmikroskop erreichbaren hinausgingen. Dabei wurden schnell Bilder von Baumwollfasern aufgenommen, bevor diese durch den Elektronenstrahl beschädigt wurden. ^{[ 4 ]}

Zu dieser Zeit war das Interesse am Elektronenmikroskop gestiegen, und andere Gruppen, wie die von Paul Anderson und Kenneth Fitzsimmons von der Washington State University ^{[ 9 ]} und die von Albert Prebus und James Hillier an der University of Toronto , die 1935 bzw. 1938 die ersten TEMs in Nordamerika bauten ^{[ 10 ]} , entwickelten die TEM-Konstruktion kontinuierlich weiter.

Die Forschung am Elektronenmikroskop wurde 1936 bei Siemens fortgesetzt . Ziel war die Entwicklung und Verbesserung der TEM-Abbildungseigenschaften, insbesondere bei biologischen Proben. Zu dieser Zeit wurden Elektronenmikroskope für spezielle Arbeitsgruppen gefertigt, beispielsweise das Gerät „EM1“ für das britische National Physical Laboratory. ^{[ 11 ]} 1939 wurde das erste kommerzielle Elektronenmikroskop (siehe Abbildung) in der Physikabteilung der IG Farben -Werke installiert. Die weitere Arbeit am Elektronenmikroskop wurde durch die Zerstörung eines neuen Labors bei Siemens durch einen Luftangriff sowie durch den Tod der beiden Forscher Heinz Müller und Friedrich Krause im Zweiten Weltkrieg beeinträchtigt . ^{[ 12 ]}

Nach dem Zweiten Weltkrieg nahm Ruska seine Arbeit bei Siemens wieder auf, wo er die Entwicklung des Elektronenmikroskops fortsetzte und das erste Mikroskop mit 100.000-facher Vergrößerung herstellte. ^{[ 12 ]} Die grundlegende Struktur dieses Mikroskopdesigns mit mehrstufiger Strahlpräparationsoptik wird noch heute in modernen Mikroskopen verwendet. Die weltweite Elektronenmikroskopie-Gemeinschaft erlebte einen Aufschwung, da Elektronenmikroskope in Manchester (Großbritannien), den USA (RCA), Deutschland (Siemens) und Japan (JEOL) hergestellt wurden. Die erste internationale Konferenz für Elektronenmikroskopie fand 1949 in Delft mit über hundert Teilnehmern statt. ^{[ 11 ]} Spätere Konferenzen umfassten die erste internationale Konferenz in Paris 1950 und eine weitere in London 1954.

Mit der Entwicklung des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) wurde die zugehörige Technik der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) erneut untersucht und blieb bis in die 1970er Jahre unentwickelt. Albert Crewe entwickelte an der Universität Chicago die Feldemissionskanone ^{[ 13 ]} und ergänzte sie mit einem hochwertigen Objektiv, wodurch das moderne STEM entstand. Mit diesem Aufbau demonstrierte Crewe die Möglichkeit, Atome mittels Dunkelfeldabbildung abzubilden . Crewe und seine Mitarbeiter an der Universität Chicago entwickelten die Kaltfeld -Elektronenemissionsquelle und bauten ein STEM, das einzelne schwere Atome auf dünnen Kohlenstoffsubstraten sichtbar machen konnte. ^{[ 14 ]}

Theoretisch ist die maximale Auflösung d , die man mit einem Lichtmikroskop erreichen kann, durch die Wellenlänge der Photonen ( λ ) und die numerische Apertur NA des Systems begrenzt. ^{[ 15 ]}

${\displaystyle d={\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\,{\textrm {NA}}}}}$

Dabei ist n der Brechungsindex des Mediums, in dem die Linse arbeitet, und α der maximale halbe Öffnungswinkel des Lichtkegels, der in die Linse eintreten kann (siehe numerische Apertur ). ^{[ 16 ]} Wissenschaftler des frühen 20. Jahrhunderts entwickelten Theorien, um die Einschränkungen der relativ großen Wellenlänge des sichtbaren Lichts (Wellenlängen von 400–700 Nanometern ) mithilfe von Elektronen zu umgehen . Wie alle Materie besitzen Elektronen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften ( Materiewelle ). Aufgrund ihrer Welleneigenschaften lässt sich ein Elektronenstrahl ähnlich wie Licht fokussieren und beugen. Die Wellenlänge von Elektronen ist über die de-Broglie-Gleichung mit ihrer kinetischen Energie verknüpft, die besagt, dass die Wellenlänge umgekehrt proportional zum Impuls ist. Unter Berücksichtigung relativistischer Effekte (wie beispielsweise in einem Transmissionselektronenmikroskop, wo die Geschwindigkeit eines Elektrons einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit  c beträgt ^{[ 17 ]} ) ergibt sich die Wellenlänge zu

${\displaystyle \lambda _{e}={\frac {h}{\sqrt {2m_{0}E\left(1+{\frac {E}{2m_{0}c^{2}}}\right)}}}}$

wobei h die Planck-Konstante , m₀ die Ruhemasse eines Elektrons und _E die kinetische Energie des beschleunigten Elektrons ist.

Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) besteht von oben nach unten aus einer Emissionsquelle oder Kathode, die beispielsweise ein Wolframdraht , ein Lanthanhexaborid-Einkristall ( _LaB₆ ) oder eine Feldemissionskanone sein kann . ^{[ 18 ]} Die Kanone ist an eine Hochspannungsquelle ( typischerweise ~100–300 kV) angeschlossen und emittiert Elektronen entweder durch thermionische oder Feldemission in das Vakuum. Bei einer thermionischen Quelle ist die Elektronenquelle in einem Wehnelt-Zylinder montiert , um die emittierten Elektronen vorläufig zu einem Strahl zu bündeln und gleichzeitig den Strom mithilfe einer passiven Rückkopplungsschaltung zu stabilisieren. Eine Feldemissionsquelle verwendet stattdessen elektrostatische Elektroden – Extraktor, Suppressor und Kanonenlinse –, an denen jeweils unterschiedliche Spannungen anliegen, um die Form und Intensität des elektrischen Feldes nahe der Spitze zu steuern. Die Kombination aus Kathode und diesen ersten elektrostatischen Linsenelementen wird zusammenfassend als „ Elektronenkanone “ bezeichnet. Nach dem Austritt aus der Elektronenkanone wird der Strahl typischerweise beschleunigt, bis er seine Endspannung erreicht, und tritt in den nächsten Teil des Mikroskops ein: das Kondensorlinsensystem. Diese oberen Linsen des TEM fokussieren den Elektronenstrahl dann weiter auf die gewünschte Größe und Position auf der Probe. ^{[ 19 ]}

Die Manipulation des Elektronenstrahls erfolgt mithilfe zweier physikalischer Effekte. Die Wechselwirkung von Elektronen mit einem Magnetfeld bewirkt, dass sich die Elektronen gemäß der Linke-Hand-Regel bewegen , wodurch Elektromagnete den Elektronenstrahl manipulieren können. Zusätzlich können elektrostatische Felder die Elektronen um einen konstanten Winkel ablenken. Die Kopplung zweier Ablenkungen in entgegengesetzte Richtungen mit einem kleinen Zwischenspalt ermöglicht eine Verschiebung des Strahlwegs und somit die Strahlverschiebung.

Die Linsen eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) ermöglichen dessen flexible Betriebsmodi und die Fähigkeit, Elektronenstrahlen bis auf atomare Ebene zu fokussieren und zu vergrößern, um ein Bild zu erzeugen. Eine Linse besteht üblicherweise aus einer Solenoidspule, die fast vollständig von ferromagnetischen Materialien umgeben ist. Diese Materialien bündeln das Magnetfeld der Spule präzise. Beim Eintritt in und Austritt aus diesem Magnetfeld umkreist ein Elektron spiralförmig die gekrümmten Magnetfeldlinien. Dies entspricht der Wirkung einer gewöhnlichen Glaslinse auf Licht – sie ist eine Sammellinse. Im Gegensatz zu einer Glaslinse lässt sich die Fokussierleistung einer Magnetlinse jedoch sehr einfach durch Anpassen des durch die Spulen fließenden Stroms verändern.

Ebenso wichtig wie die Linsen sind die Blenden. Dabei handelt es sich um kreisrunde Öffnungen in dünnen Streifen aus Schwermetall. Einige sind in Größe und Position fest und spielen eine wichtige Rolle bei der Begrenzung der Röntgenstrahlung und der Verbesserung der Vakuumleistung. Andere lassen sich frei zwischen verschiedenen Größen umschalten und in ihrer Position anpassen. Variable Blenden hinter der Probe ermöglichen es dem Benutzer, den Bereich der räumlichen Positionen oder der Elektronenstreuwinkel für die Bild- oder Beugungsmustererzeugung auszuwählen.

Das elektronenoptische System umfasst außerdem Deflektoren und Stigmatoren, die üblicherweise aus kleinen Elektromagneten bestehen. Die Deflektoren ermöglichen die unabhängige Steuerung von Position und Winkel des Strahls an der Probenposition und gewährleisten, dass die Strahlen nahe den Zentren mit geringer Aberration jeder Linse im Linsensystem bleiben. Die Stigmatoren kompensieren geringfügige Unvollkommenheiten und Aberrationen, die Astigmatismus verursachen – eine Linse mit unterschiedlicher Brennweite in verschiedenen Richtungen.

Ein typisches TEM besteht aus drei Linsenstufen: Kondensorlinsen, Objektivlinsen und Projektorlinsen. Die Kondensorlinsen erzeugen den Primärstrahl, während die Objektivlinsen den durch die Probe hindurchtretenden Strahl fokussieren (im STEM-Scanmodus befinden sich zusätzlich Objektivlinsen oberhalb der Probe, um den einfallenden Elektronenstrahl zu bündeln). Die Projektorlinsen bündeln den Strahl auf dem Leuchtschirm oder einem anderen Abbildungsmedium, z. B. Film. Die Vergrößerung des TEM ergibt sich aus dem Verhältnis der Abstände zwischen Probe und Bildebene des Objektivs. ^{[ 20 ]} Die optischen Konfigurationen von TEMs variieren je nach Ausführung erheblich. Hersteller verwenden kundenspezifische Linsenkonfigurationen, beispielsweise bei Geräten mit Korrektur der sphärischen Aberration ^{[ 19 ]} oder bei TEMs mit Energiefilterung zur Korrektur der chromatischen Aberration der Elektronen .

Das optische Reziprozitätstheorem, auch Helmholtz-Reziprozitätsprinzip genannt, gilt im Allgemeinen für elastisch gestreute Elektronen, wie es häufig unter Standard-TEM-Betriebsbedingungen der Fall ist. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Das Theorem besagt, dass die Wellenamplitude an einem Punkt B, hervorgerufen durch eine Elektronenpunktquelle A, der Amplitude an A entspricht, die durch eine äquivalente Punktquelle an Punkt B hervorgerufen wird. ^{[ 22 ]} Vereinfacht ausgedrückt: Die Wellenfunktion von Elektronen, die durch eine beliebige optische Komponentenfolge fokussiert werden, welche ausschließlich skalare (d. h. keine magnetischen) Felder enthält, ist exakt äquivalent, wenn Elektronenquelle und Beobachtungspunkt vertauscht werden.

Das Prinzip der Reziprozität wird genutzt, um die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) im bekannten Kontext der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zu verstehen und um mithilfe der STEM Bilder zu erhalten und zu interpretieren.

Zu den Schlüsselfaktoren bei der Betrachtung der Elektronendetektion gehören die Detektionsquanteneffizienz (DQE) , die Punktspreizfunktion (PSF) , die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) , die Pixelgröße und die Arraygröße, das Rauschen, die Datenauslesegeschwindigkeit und die Strahlungsbeständigkeit. ^{[ 23 ]}

Die Abbildungssysteme eines TEM bestehen aus einem Leuchtschirm , der aus feinem (10–100 μm) Zinksulfid- Partikelmaterial gefertigt sein kann , zur direkten Beobachtung durch den Bediener, und einem Bildaufzeichnungssystem wie fotografischem Film ^{[ 24 ]} , dotierten YAG- Bildschirm-gekoppelten CCDs ^{[ 25 ]} oder anderen digitalen Detektoren ^{[ 23 ]} . Typischerweise können diese Komponenten je nach Bedarf in den Strahlengang eingeführt oder entfernt werden. (Fotografischer Film wird nicht mehr verwendet.) Der erste Bericht über die Verwendung eines CCD-Detektors (Charge-Coupled Device) für TEM stammt aus dem Jahr 1982 ^{[ 26 ]} , die Technologie fand jedoch erst Ende der 1990er/Anfang der 2000er Jahre breite Anwendung ^{[ 27 ]} . Monolithische Aktivpixelsensoren (MAPS) wurden ebenfalls in TEM eingesetzt. ^{[ 28 ]} CMOS- Detektoren, die schneller und strahlungsresistenter als CCDs sind, werden seit 2005 in der TEM eingesetzt. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Anfang der 2010er-Jahre ermöglichte die Weiterentwicklung der CMOS-Technologie die Detektion einzelner Elektronen (Zählmodus). ^{[ 31 ] [ 32 ]} Diese Direktelektronendetektoren sind von Gatan , FEI , Quantum Detectors und Direct Electron erhältlich . ^{[ 28 ]}

Ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) besteht aus mehreren Komponenten, darunter ein Vakuumsystem, in dem sich die Elektronen bewegen, eine Elektronenemissionsquelle zur Erzeugung des Elektronenstrahls, mehrere elektromagnetische Linsen sowie elektrostatische Platten. Letztere ermöglichen es dem Anwender, den Elektronenstrahl gezielt zu lenken und zu manipulieren. Zudem ist eine Vorrichtung erforderlich, um Proben in den Strahlengang einzuführen, darin zu bewegen und wieder zu entnehmen. Anschließend werden mithilfe von Bildgebungsgeräten Bilder aus den austretenden Elektronen erzeugt.

Um die mittlere freie Weglänge der Elektronengaswechselwirkung zu erhöhen, wird ein Standard-TEM auf niedrige Drücke evakuiert, typischerweise in der Größenordnung von10⁻⁴ Pa  . ^{[ 33 ] Dies ist aus zwei Gründen notwendig: Erstens ,} um die Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Masse ohne Lichtbogenbildung auszugleichen, und zweitens, um die Stoßfrequenz von Elektronen mit Gasatomen auf vernachlässigbare Werte zu reduzieren – dieser Effekt wird durch die mittlere freie Weglänge charakterisiert . TEM-Komponenten wie Probenhalter und Filmkassetten müssen regelmäßig eingesetzt oder ausgetauscht werden, was ein System mit der Möglichkeit zur regelmäßigen Evakuierung erfordert. Daher sind TEMs mit mehreren Pumpsystemen und Schleusen ausgestattet und nicht permanent vakuumversiegelt.

Das Vakuumsystem zur Evakuierung eines TEM auf den Betriebsdruck besteht aus mehreren Stufen. Zunächst wird mit einer Drehschieberpumpe oder Membranpumpen ein niedriges Vorvakuum erzeugt , das einen ausreichend niedrigen Druck für den Betrieb einer Turbomolekular- oder Diffusionspumpe liefert. Diese erzeugt das für den Betrieb notwendige Hochvakuum. Um den Dauerbetrieb der Niederdruckpumpe zu vermeiden, während die Turbomolekularpumpen kontinuierlich laufen, kann die Vakuumseite der Niederdruckpumpe mit Kammern verbunden werden, die die Abgase der Turbomolekularpumpe aufnehmen. ^{[ 34 ]} Durch druckbegrenzende Blenden lassen sich Bereiche des TEM isolieren, um unterschiedliche Vakuumniveaus zu ermöglichen, beispielsweise ein höheres Vakuum von 10⁻⁴ ^bis 10⁻⁷ ^Pa oder höher in der Elektronenkanone von hochauflösenden oder Feldemissions-TEMs.

Hochspannungs-TEMs benötigen Ultrahochvakuum im Bereich von 10⁻⁷ ^bis 10⁻⁹ ^Pa , um die Entstehung eines Lichtbogens, insbesondere an der TEM-Kathode, zu verhindern. ^{[ 35 ]} Daher kann bei Hochspannungs-TEMs ein drittes Vakuumsystem zum Einsatz kommen, bei dem die Elektronenkanone entweder durch Absperrventile oder eine Differenzialpumpöffnung – eine kleine Öffnung, die verhindert, dass Gasmoleküle schneller in den Bereich der Elektronenkanone mit dem höheren Vakuum diffundieren, als sie abgepumpt werden können – von der Hauptkammer getrennt ist. Für diese sehr niedrigen Drücke wird entweder eine Ionenpumpe oder ein Gettermaterial verwendet.

Unzureichendes Vakuum in einem TEM kann verschiedene Probleme verursachen, von der Ablagerung von Gasen im TEM auf der Probe während der Beobachtung ( elektronenstrahlinduzierte Abscheidung) bis hin zu schwerwiegenderen Kathodenschäden durch elektrische Entladungen. ^{[ 35 ]} Der Einsatz einer Kühlfalle zur Adsorption sublimierter Gase in der Nähe der Probe beseitigt weitgehend die durch die Sublimation der Probe verursachten Vakuumprobleme . ^{[ 34 ]}

TEM-Probentische verfügen über Schleusen, die das Einführen des Probenhalters in das Vakuum mit minimalem Vakuumverlust in anderen Bereichen des Mikroskops ermöglichen. Die Probenhalter nehmen Probennetze oder selbsttragende Proben in Standardgröße auf. Standard-TEM-Netze haben einen Durchmesser von 3,05 mm, ihre Dicke und Maschenweite variieren von wenigen bis zu 100 µm. Die Probe wird auf die Maschenfläche mit einem Durchmesser von ca. 2,5 mm platziert. Übliche Netzmaterialien sind Kupfer, Molybdän, Gold oder Platin. Dieses Netz wird in den Probenhalter eingesetzt, der mit dem Probentisch verbunden ist. Je nach Art des durchgeführten Experiments existieren vielfältige Designs von Probentischen und -haltern. Neben 3,05-mm-Netzen werden gelegentlich, wenn auch selten, auch 2,3-mm-Netze verwendet. Diese Netze kamen insbesondere in den Mineralwissenschaften zum Einsatz, wo ein großer Neigungswinkel erforderlich sein kann und Probenmaterial extrem selten ist. Elektronenmikroskopisch transparente Proben haben üblicherweise eine Dicke von weniger als 100 nm, wobei dieser Wert von der Beschleunigungsspannung abhängt.

Nach dem Einbringen in ein TEM muss die Probe so positioniert werden, dass der für den Elektronenstrahl relevante Bereich, beispielsweise bei der Einzelkornbeugung , in einer bestimmten Orientierung liegt. Der TEM-Tisch ermöglicht hierfür die Bewegung der Probe in der XY-Ebene, die Höhenverstellung in Z-Richtung und üblicherweise eine Neigung in einer Richtung parallel zur Achse der seitlichen Probenhalter. Spezielle Beugungshalter und -tische bieten unter Umständen die Möglichkeit zur Probenrotation. Einige moderne TEMs ermöglichen mit speziellen Probenhaltern, sogenannten Doppelkipp-Probenhaltern, zwei orthogonale Neigungswinkel. Manche Tischkonstruktionen, wie etwa die früher für hochauflösende TEM-Untersuchungen üblichen Top-Entry- oder Vertikal-Einführungstische, erlauben hingegen nur eine Translation in XY-Richtung. Die Konstruktionskriterien für TEM-Tische sind komplex, da mechanische und elektronenoptische Randbedingungen gleichzeitig erfüllt werden müssen. Für verschiedene Methoden existieren spezielle Modelle.

Für die Untersuchung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) ist es erforderlich, dass der Probentisch eine Probe aufnehmen und so positioniert werden kann, dass der zu untersuchende Bereich in den Strahlengang des Elektronenstrahls gelangt. Da das TEM in einem breiten Vergrößerungsbereich arbeitet, muss der Probentisch gleichzeitig äußerst resistent gegen mechanische Drift sein. Die Drift sollte nur wenige Nanometer pro Minute betragen, während gleichzeitig eine Verfahrgeschwindigkeit von mehreren Mikrometern pro Minute und eine Repositionierungsgenauigkeit im Nanometerbereich erreicht werden muss. ^{[ 36 ]} Frühere TEM-Konstruktionen erreichten dies durch komplexe mechanische Untersetzungsgetriebe, die es dem Bediener ermöglichten, die Bewegung des Probentisches über mehrere Drehstangen präzise zu steuern. Moderne Geräte verwenden elektrische Probentischsysteme mit Gewindetrieben in Kombination mit Schrittmotoren und bieten dem Bediener eine computergestützte Steuerung des Probentisches, beispielsweise über einen Joystick oder Trackball .

Es gibt zwei Hauptbauformen für Probentische in einem TEM: die seitliche und die obere Ausführung. ^{[ 25 ]} Jede Bauform muss den passenden Probenhalter aufnehmen können, um das Einbringen der Probe zu ermöglichen, ohne die empfindliche TEM-Optik zu beschädigen oder Gase in das TEM-System unter Vakuum eindringen zu lassen.

Am häufigsten wird die Probe mit seitlicher Probenentnahme verwendet. Dabei wird die Probe nahe der Spitze eines langen Metallstabs (Messing oder Edelstahl) platziert und liegt flach in einer kleinen Bohrung. Entlang des Stabs befinden sich mehrere Vakuumringe aus Polymer, die beim Einsetzen in den Objekttisch eine ausreichende Vakuumdichtung gewährleisten. Der Objekttisch ist so konstruiert, dass er den Stab aufnimmt und die Probe – je nach Objektivdesign – entweder zwischen oder nahe der Objektivlinse positioniert. Beim Einsetzen in den Objekttisch befindet sich die Spitze der Probe mit seitlicher Probenentnahme im Vakuum des TEM, während die Basis der Atmosphäre ausgesetzt ist. Die Vakuumringe bilden dabei eine Luftschleuse.

Bei der Einführprozedur für TEM-Probenhalter mit seitlichem Zugang wird typischerweise die Probe gedreht, um Mikroschalter auszulösen , die die Evakuierung der Luftschleuse einleiten, bevor die Probe in die TEM-Säule eingeführt wird.

Die zweite Bauform ist der Probenhalter mit Top-Entry-Mechanismus. Er besteht aus einer mehrere Zentimeter langen Kartusche mit einer Bohrung entlang ihrer Achse. Die Probe wird in die Bohrung eingelegt, gegebenenfalls mithilfe eines kleinen Schraubrings zur Fixierung. Diese Kartusche wird in eine Schleuse eingesetzt, wobei die Bohrung senkrecht zur optischen Achse des TEM verläuft. Nach dem Verschließen wird die Schleuse so manipuliert, dass die Kartusche in ihre Position fällt. Dabei richtet sich die Bohrung parallel zur Strahlachse aus, sodass der Strahl durch die Kartuschenbohrung in die Probe eindringt. Solche Konstruktionen lassen sich typischerweise nicht neigen, ohne den Strahlengang zu blockieren oder die Objektivlinse zu beeinträchtigen. ^{[ 25 ]}

Die Elektronenkanone besteht aus mehreren Komponenten: dem Glühfaden, einer Vorspannungsschaltung, einem Wehnelt-Zylinder und einer Extraktionsanode. Durch Anschluss des Glühfadens an die negative Spannungsversorgung können Elektronen von der Elektronenkanone zur Anodenplatte und zur TEM-Säule „gepumpt“ werden, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Die Kanone erzeugt einen Elektronenstrahl, der unter einem bestimmten Winkel, dem sogenannten Divergenzwinkel α, austritt. Indem der Wehnelt-Zylinder so konstruiert ist, dass er eine höhere negative Ladung als der Glühfaden selbst aufweist, werden die divergierend austretenden Elektronen im Normalbetrieb in ein konvergierendes Strahlmuster gelenkt, dessen minimaler Durchmesser dem Übertrittsdurchmesser der Elektronenkanone entspricht.

Die thermionische Emissionsstromdichte J kann über das Richardson-Gesetz mit der Austrittsarbeit des emittierenden Materials in Beziehung gesetzt werden.

${\displaystyle J=AT^{2}\exp \left({\frac {-\Phi }{kT}}\right),}$

wobei A die Richardson- Konstante, Φ die Austrittsarbeit und T die Temperatur des Materials ist. ^{[ 25 ]}

Diese Gleichung zeigt, dass zur Erzielung einer ausreichenden Stromdichte der Emitter erhitzt werden muss, wobei darauf zu achten ist, ihn nicht durch zu hohe Temperaturen zu beschädigen. Daher werden für den Glühfaden Materialien mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram, oder mit niedriger Austrittsarbeit (LaB₆) benötigt. _[ ^{37 ] Sowohl} Lanthanhexaborid- als auch Wolfram-Thermionenquellen müssen erhitzt werden, um thermionische Emission zu erzielen. Dies kann mithilfe eines kleinen Widerstandsstreifens erreicht werden. Um einen Thermoschock zu vermeiden, wird die Stromzufuhr zur Spitze oft verzögert, um zu verhindern, dass thermische Gradienten den Glühfaden beschädigen. Diese Verzögerung beträgt bei LaB₆ üblicherweise einige Sekunden _und ist bei Wolfram deutlich geringer.

Elektronenlinsen sind so konstruiert, dass sie ähnlich wie optische Linsen funktionieren, indem sie parallele Elektronen auf eine konstante Brennweite fokussieren. Sie können elektrostatisch oder magnetisch arbeiten. Die meisten Elektronenlinsen für TEMs nutzen elektromagnetische Spulen zur Erzeugung einer konvexen Linse . Das für die Linse erzeugte Magnetfeld muss radialsymmetrisch sein, da Abweichungen von der radialen Symmetrie der Magnetlinse Aberrationen wie Astigmatismus verursachen und sphärische sowie chromatische Aberrationen verstärken . Elektronenlinsen werden aus Eisen, Eisen-Kobalt- oder Nickel-Kobalt-Legierungen ^{[ 38 ]} , wie beispielsweise Permalloy, hergestellt . Diese werden aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften, wie magnetischer Sättigung , Hysterese und Permeabilität , ausgewählt .

Zu den Komponenten gehören das Joch, die Magnetspule, die Pole, der Polschuh und die externe Steuerschaltung. Der Polschuh muss hochsymmetrisch gefertigt sein, da er die Randbedingungen für das Magnetfeld vorgibt, das die Linse formt. Fertigungsfehler des Polschuhs können erhebliche Verzerrungen der Magnetfeldsymmetrie hervorrufen, welche wiederum die Fähigkeit der Linse, die Objektebene abzubilden, einschränken. Die genauen Abmessungen des Spalts, des Polschuh-Innendurchmessers und der Verjüngung sowie die Gesamtkonstruktion der Linse werden häufig mittels Finite-Elemente-Analyse des Magnetfelds unter Berücksichtigung der thermischen und elektrischen Randbedingungen ermittelt. ^{[ 38 ]}

Die Spulen zur Erzeugung des Magnetfelds befinden sich im Linsenjoch. Sie können einen variablen Strom führen, arbeiten aber typischerweise mit hohen Spannungen und benötigen daher eine umfangreiche Isolierung, um Kurzschlüsse der Linsenkomponenten zu verhindern. Wärmeverteiler sorgen für die Abfuhr der durch den Widerstand der Spulenwicklungen entstehenden Wärme. Die Wicklungen können wassergekühlt werden, wobei Kaltwasser zur Unterstützung der Wärmeabfuhr genutzt wird.

Aperturen sind ringförmige Metallplatten, durch die Elektronen, die sich weiter als einen bestimmten Abstand von der optischen Achse befinden , ausgeblendet werden können. Sie bestehen aus einer kleinen Metallscheibe, die dick genug ist, um den Durchtritt von Elektronen zu verhindern, während axiale Elektronen durchgelassen werden. Diese Zulassung zentraler Elektronen im TEM bewirkt zwei Effekte gleichzeitig: Erstens verringern Aperturen die Strahlintensität, da Elektronen aus dem Strahl herausgefiltert werden, was bei strahlungsempfindlichen Proben erwünscht sein kann. Zweitens werden durch diese Filterung Elektronen entfernt, die unter großen Winkeln gestreut werden. Dies kann durch unerwünschte Prozesse wie sphärische oder chromatische Aberration oder durch Beugung aufgrund von Wechselwirkungen innerhalb der Probe verursacht werden. ^{[ 39 ]}

Blenden sind entweder fest in der Säule integriert, beispielsweise an der Kondensorlinse, oder beweglich. Sie können in den Strahlengang eingeführt oder daraus entfernt bzw. in der Ebene senkrecht zum Strahlengang verschoben werden. Blendenbaugruppen sind mechanische Vorrichtungen, die die Auswahl verschiedener Blendengrößen ermöglichen. Der Anwender kann so die Intensität und die Filterwirkung der Blende optimal aufeinander abstimmen. Blendenbaugruppen sind häufig mit Mikrometern zur Bewegung der Blende ausgestattet, die für die optische Kalibrierung benötigt werden.

Abbildungsverfahren im TEM nutzen die in den aus der Probe austretenden Elektronenwellen enthaltenen Informationen zur Bilderzeugung. Die Projektorlinsen ermöglichen die korrekte Positionierung dieser Elektronenwellenverteilung auf dem Betrachtungssystem. Die beobachtete Intensität I des Bildes kann, bei ausreichend hoher Qualität des Abbildungsgeräts, näherungsweise als proportional zum zeitlich gemittelten Betragsquadrat der Amplitude der Elektronenwellenfunktionen angenommen werden, wobei die den austretenden Strahl bildende Welle mit Ψ bezeichnet wird. ^{[ 40 ]}

${\displaystyle I(x)={\frac {k}{t_{1}-t_{0}}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}\Psi \Psi ^{\mathrm {*} }\,dt}$

Verschiedene Bildgebungsverfahren versuchen daher, die aus der Probe austretenden Elektronenwellen so zu modifizieren, dass Informationen über die Probe oder den Strahl selbst gewonnen werden. Aus der vorherigen Gleichung lässt sich ableiten, dass das beobachtete Bild nicht nur von der Strahlamplitude, sondern auch von der Phase der Elektronen abhängt, obwohl Phaseneffekte bei geringeren Vergrößerungen oft vernachlässigt werden können. Für hochauflösende Bildgebung sind dünnere Proben und höhere Energien der einfallenden Elektronen erforderlich. Dies bedeutet, dass die Probe nicht mehr als Elektronen absorbierend (d. h. gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz) betrachtet werden kann. Stattdessen kann die Probe als Objekt modelliert werden, das die Amplitude der einfallenden Elektronenwellenfunktion nicht verändert, sondern deren Phase modifiziert; in diesem Modell wird die Probe als reines Phasenobjekt bezeichnet. Bei ausreichend dünnen Proben dominieren Phaseneffekte das Bild und erschweren die Analyse der beobachteten Intensitäten. ^{[ 40 ]} Um den Kontrast im Bild zu verbessern, kann das TEM mit einer leichten Defokussierung betrieben werden, um den Kontrast zu erhöhen. Dies ist auf die Faltung mit der Kontrastübertragungsfunktion des TEM zurückzuführen, ^{[ 41 ]} die normalerweise den Kontrast verringern würde, wenn es sich bei der Probe nicht um ein Objekt mit schwacher Phase handeln würde.

Die Abbildung rechts zeigt die zwei grundlegenden Betriebsarten des TEM – Abbildung und Beugung. In beiden Fällen wird die Probe mit dem Parallelstrahl beleuchtet, der durch die Formung des Elektronenstrahls mithilfe von Kondensorlinsen und Kondensorblende erzeugt wird. Nach der Wechselwirkung mit der Probe existieren an der Austrittsfläche zwei Arten von Elektronen: ungestreute Elektronen (die dem hellen Zentralstrahl im Beugungsmuster entsprechen) und gestreute Elektronen (deren Flugbahn sich aufgrund der Wechselwirkung mit dem Material ändert).

Im Abbildungsmodus befindet sich die Objektivapertur in der hinteren Brennebene (BFP) des Objektivs (wo die Beugungsflecken entstehen). Wird die Objektivapertur nur zur Auswahl des zentralen Strahls verwendet, passieren die transmittierten Elektronen die Apertur, während alle anderen blockiert werden. Dadurch entsteht ein Hellfeldbild (BF-Bild). Lässt man das Signal des gebeugten Strahls durch, erhält man ein Dunkelfeldbild (DF-Bild). Das ausgewählte Signal wird mithilfe von Zwischen- und Projektionslinsen vergrößert und auf einen Schirm (oder eine Kamera) projiziert. So entsteht ein Bild der Probe.

Im Diffraktionsmodus kann eine wählbare Flächenblende verwendet werden, um den Probenbereich, von dem das Signal angezeigt wird, genauer zu bestimmen. Durch Ändern der Stromstärke an der Zwischenlinse wird das Diffraktionsmuster auf einen Schirm projiziert. Die Diffraktion ist ein sehr leistungsfähiges Werkzeug zur Zellrekonstruktion und Kristallorientierungsbestimmung.

Der Kontrast zwischen zwei benachbarten Bereichen in einem TEM-Bild lässt sich als Differenz der Elektronendichten in der Bildebene definieren. Durch die Streuung des einfallenden Strahls an der Probe ändern sich Amplitude und Phase der Elektronenwelle, was zu Amplituden- bzw. Phasenkontrast führt . Die meisten Bilder weisen beide Kontrastkomponenten auf.

Der Amplitudenkontrast entsteht durch die Entfernung eines Teils der Elektronen vor Erreichen der Bildebene. Bei der Wechselwirkung mit der Probe gehen einige Elektronen durch Absorption oder Streuung unter sehr hohen Winkeln jenseits der physikalischen Grenzen des Mikroskops verloren oder werden durch die Objektivapertur blockiert. Während die ersten beiden Verluste auf die Konstruktion der Probe und des Mikroskops zurückzuführen sind, kann die Objektivapertur vom Anwender zur Kontrastverstärkung genutzt werden.

Die Abbildung rechts zeigt eine TEM-Aufnahme (a) und das zugehörige Beugungsmuster (b) eines polykristallinen Pt-Films, aufgenommen ohne Objektivblende. Um den Kontrast in der TEM-Aufnahme zu erhöhen, sollte die Anzahl der im Beugungsmuster sichtbaren Streustrahlen reduziert werden. Dies kann durch Auswahl eines bestimmten Bereichs in der hinteren Brennebene erreicht werden, beispielsweise nur des zentralen Strahls, eines bestimmten gebeugten Strahls (unter einem bestimmten Winkel) oder einer Kombination solcher Strahlen. Durch die gezielte Wahl einer Objektivblende, die nur den nicht gebeugten Strahl durch die hintere Brennebene (und auf die Bildebene) hindurchlässt, entsteht eine Hellfeldaufnahme (BF) (c). Wird hingegen der zentrale, nicht gebeugte Strahl blockiert, erhält man Dunkelfeldaufnahmen (DF), wie sie in (d–e) gezeigt werden. Die DF-Aufnahmen (d–e) wurden durch Auswahl der im Beugungsmuster (b) mit Kreisen markierten gebeugten Strahlen mithilfe einer Blende in der hinteren Brennebene erzeugt. Körner, von denen Elektronen in diese Beugungsflecken gestreut werden, erscheinen heller. Weitere Details zur Entstehung des Beugungskontrasts werden im Folgenden erläutert.

Es gibt zwei Arten von Amplitudenkontrast: den Massen-Dicken-Kontrast und den Beugungskontrast. Betrachten wir zunächst den Massen-Dicken-Kontrast . Wenn der Elektronenstrahl zwei benachbarte Bereiche mit geringer und hoher Masse (bzw. Dicke) beleuchtet, streut der schwerere Bereich die Elektronen unter größeren Winkeln. Diese stark gestreuten Elektronen werden im Hellfeld-TEM-Modus durch die Objektivapertur blockiert. Dadurch erscheinen schwerere Bereiche in Hellfeldaufnahmen dunkler (haben eine geringere Intensität). Der Massen-Dicken-Kontrast ist besonders wichtig für nichtkristalline, amorphe Materialien.

Beugungskontrast entsteht durch die spezifische kristallographische Orientierung eines Kristallkorns. In diesem Fall ist der Kristall so ausgerichtet, dass die Wahrscheinlichkeit für Beugung hoch ist. Der Beugungskontrast liefert Informationen über die Orientierung der Kristalle in einer polykristallinen Probe sowie über weitere Merkmale wie Defekte. Es ist wichtig zu beachten, dass ein vorhandener Beugungskontrast nicht auf Massen- oder Dickenvariationen zurückgeführt werden kann.

Proben können Beugungskontrast aufweisen, wobei der Elektronenstrahl gebeugt wird . Im Falle einer kristallinen Probe werden die Elektronen in diskrete Bereiche der hinteren Brennebene aufgespalten . Durch die Anordnung von Blenden in der hinteren Brennebene, d. h. der Objektivblende, lassen sich die gewünschten reziproken Gittervektoren auswählen (oder ausschließen). Dadurch werden nur die Bereiche der Probe, die die Elektronenstreuung zu den ausgewählten Reflexen verursachen, auf das Abbildungsgerät projiziert.

Wenn die ausgewählten Reflexionen den ungestreuten Strahl (der im Brennpunkt der Linse erscheint) nicht einschließen, erscheint das Bild dunkel, wo immer keine Streuung des Probenmaterials am ausgewählten Peak stattfindet, da ein solcher Bereich ohne Probe dunkel erscheint. Dies wird als Dunkelfeldbild bezeichnet.

Moderne TEMs sind oft mit Probenhaltern ausgestattet, die es dem Benutzer ermöglichen, die Probe in einem bestimmten Winkel zu neigen, um spezifische Beugungsbedingungen zu erzielen. Über der Probe angebrachte Blenden ermöglichen es dem Benutzer, Elektronen, die andernfalls in eine bestimmte Richtung gebeugt würden, vom Eintritt in die Probe abzuhalten.

Anwendungsgebiete dieser Methode sind unter anderem die Identifizierung von Gitterdefekten in Kristallen. Durch die sorgfältige Wahl der Probenorientierung lässt sich nicht nur die Position, sondern auch die Art der Defekte bestimmen. Ist die Probe so orientiert, dass eine bestimmte Ebene nur geringfügig vom stärksten Beugungswinkel (dem sogenannten Bragg-Winkel ) abweicht, führt jede Verzerrung der Kristallebene, die diese lokal zum Bragg-Winkel neigt, zu besonders starken Kontrastvariationen. Defekte hingegen, die lediglich eine Verschiebung von Atomen bewirken, ohne den Kristall zum Bragg-Winkel hin zu neigen (d. h. Verschiebungen parallel zur Kristallebene), erzeugen einen schwächeren Kontrast. ^{[ 42 ]}

Die Kristallstruktur kann auch mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM), auch Phasenkontrastmikroskopie genannt, untersucht werden . Bei Verwendung einer Feldemissionsquelle und einer Probe gleichmäßiger Dicke entstehen die Bilder durch Phasenunterschiede der Elektronenwellen, die durch die Wechselwirkung der Probe verursacht werden. ^{[ 41 ]} Die Bildentstehung wird durch den komplexen Betrag der einfallenden Elektronenstrahlen bestimmt. Daher hängt das Bild nicht nur von der Anzahl der auf den Schirm auftreffenden Elektronen ab, was die direkte Interpretation von Phasenkontrastbildern etwas komplexer macht. Dieser Effekt kann jedoch vorteilhaft genutzt werden, da er manipuliert werden kann, um zusätzliche Informationen über die Probe zu gewinnen, beispielsweise in komplexen Phasenrekonstruktionsverfahren .

Wie bereits erwähnt, lässt sich durch Justieren der Magnetlinsen, sodass die hintere Brennebene der Linse und nicht die Bildebene auf dem Abbildungsgerät liegt, ein Beugungsmuster erzeugen. Bei dünnen kristallinen Proben entsteht so ein Bild, das im Falle eines Einkristalls aus einem Punktmuster und im Falle eines polykristallinen oder amorphen Feststoffs aus einer Reihe von Ringen besteht. Im Fall eines Einkristalls hängt das Beugungsmuster von der Orientierung und der Struktur der vom Elektronenstrahl beleuchteten Probe ab. Dieses Bild liefert dem Untersucher Informationen über die Raumgruppensymmetrien im Kristall und dessen Orientierung zum Strahlengang. Dies geschieht üblicherweise allein anhand der Positionen der Beugungsflecken und der beobachteten Bildsymmetrien.

Beugungsmuster können einen großen Dynamikbereich aufweisen und bei kristallinen Proben Intensitäten erreichen, die über die von CCD-Kameras erfassbaren Werte hinausgehen. Daher können TEMs weiterhin mit Filmkassetten ausgestattet sein, um diese Bilder zu erhalten, da der Film ein Einwegdetektor ist.

Die Analyse von Beugungsmustern jenseits der Punktposition kann komplex sein, da das Bild empfindlich auf eine Reihe von Faktoren reagiert, wie z. B. Probendicke und -orientierung, Objektivdefokussierung sowie sphärische und chromatische Aberration. Obwohl eine quantitative Interpretation des in Gitterbildern dargestellten Kontrasts möglich ist, ist sie naturgemäß kompliziert und kann umfangreiche Computersimulationen und -analysen, wie z. B. die Elektronenmikroskopie mit Mehrfachschnitten, erfordern . ^{[ 43 ]}

Komplexere Verhaltensweisen in der Beugungsebene sind ebenfalls möglich, beispielsweise Kikuchi-Linien, die durch Mehrfachbeugung im Kristallgitter entstehen. Bei der konvergenten Elektronenbeugung (CBED), bei der durch die Fokussierung des Elektronenstrahls auf eine feine Sonde an der Probenoberfläche eine nicht-parallele, d. h. konvergierende Elektronenwellenfront erzeugt wird, kann die Wechselwirkung des konvergenten Strahls Informationen liefern, die über Strukturdaten wie die Probendicke hinausgehen.

Mithilfe der fortschrittlichen Technik der Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) können Elektronen in entsprechend ausgestatteten Transmissionselektronenmikroskopen (TEMs) anhand ihrer Geschwindigkeit (die eng mit ihrer kinetischen Energie und damit dem Energieverlust des Elektronenstrahls zusammenhängt) spektral getrennt werden. Hierfür werden magnetische Sektordetektoren , sogenannte EELS-Spektrometer, verwendet. Diese Geräte ermöglichen die Auswahl spezifischer Energiewerte, die mit der Wechselwirkung des Elektrons mit der Probe in Zusammenhang stehen. Beispielsweise führen unterschiedliche Elemente in einer Probe zu unterschiedlichen Elektronenenergien im Strahl nach der Probe. Dies führt normalerweise zu chromatischer Aberration – dieser Effekt kann jedoch beispielsweise genutzt werden, um ein Bild zu erzeugen, das Informationen über die Elementzusammensetzung liefert, basierend auf dem Atomübergang während der Elektron-Elektron-Wechselwirkung. ^{[ 44 ]}

EELS-Spektrometer können häufig sowohl im spektroskopischen als auch im bildgebenden Modus betrieben werden, wodurch elastisch gestreute Strahlen isoliert oder unterdrückt werden können . Da inelastische Streuung in vielen Bildern Informationen enthält, die für den Untersucher möglicherweise nicht relevant sind und somit die beobachtbaren Signale von Interesse reduzieren, kann die EELS-Bildgebung genutzt werden, um den Kontrast in den aufgenommenen Bildern, sowohl im Hellfeld als auch in der Beugung, durch die Unterdrückung unerwünschter Komponenten zu verbessern.

Da TEM-Probenhalter typischerweise die Drehung einer Probe um einen gewünschten Winkel ermöglichen, lassen sich durch Drehen des Probenwinkels um eine Achse senkrecht zum Elektronenstrahl mehrere Ansichten derselben Probe gewinnen. Durch die Aufnahme mehrerer Bilder einer einzelnen TEM-Probe unter verschiedenen Winkeln, typischerweise in 1°-Schritten, kann eine Bildserie, die sogenannte „Kippserie“, erstellt werden. Diese Methode wurde in den 1970er Jahren von Walter Hoppe vorgeschlagen . Unter reinen Absorptionskontrastbedingungen kann diese Bildserie zur Erstellung einer dreidimensionalen Darstellung der Probe verwendet werden. ^{[ 46 ]}

Die Rekonstruktion erfolgt in zwei Schritten: Zunächst werden die Bilder ausgerichtet, um Positionierungsfehler der Probe zu korrigieren, die beispielsweise durch Vibrationen oder mechanische Verschiebungen entstehen können. ^{[ 47 ]} Zur Korrektur dieser Fehler werden Bildregistrierungsalgorithmen wie Autokorrelationsverfahren eingesetzt . Anschließend werden die ausgerichteten Bildschnitte mithilfe eines Rekonstruktionsalgorithmus, wie etwa der gefilterten Rückprojektion , von einem Satz zweidimensionaler Bilder I _{_j} ( x ,  y ) in ein einzelnes dreidimensionales Bild I '_{_j} ( x ,  y ,  z ) transformiert. Dieses dreidimensionale Bild ist insbesondere dann von Interesse, wenn morphologische Informationen benötigt werden. Weiterführende Analysen können mithilfe von Computerprogrammen wie Isosurface- Analysen und Datenslicing durchgeführt werden.

Da TEM-Proben üblicherweise nicht um 180° gedreht werden können, weisen die aufgenommenen Bilder typischerweise einen „fehlenden Datenkeil“ auf. Bei Verwendung von Fourier-basierten Rückprojektionsverfahren verringert dies den Bereich der auflösbaren Frequenzen in der dreidimensionalen Rekonstruktion. ^{[ 46 ]} Mechanische Verfahren wie Mehrachsenkippung (zwei Kippserien derselben Probe in orthogonalen Richtungen) und konische Tomographie (bei der die Probe zunächst auf einen festgelegten Winkel gekippt und anschließend in gleichen Winkelschritten über eine vollständige Rotation in der Ebene des Probenrasters abgebildet wird) können eingesetzt werden, um den Einfluss der fehlenden Daten auf die beobachtete Probenmorphologie zu minimieren. Mithilfe des fokussierten Ionenstrahlfräsens wurde eine neue Technik vorgeschlagen ^{[ 48 ]} , die eine säulenförmige Probe und einen speziellen, achsenparallelen Tomographiehalter verwendet, um eine 180°-Rotation der Probe innerhalb des Polschuhs des TEM-Objektivs durchzuführen. Mit solchen Anordnungen ist eine quantitative Elektronentomographie ohne den fehlenden Datenkeil möglich. ^{[ 49 ]} Darüber hinaus gibt es numerische Verfahren, mit denen die gesammelten Daten verbessert werden können.

Alle oben genannten Methoden beinhalten die Aufnahme von Kippreihen eines gegebenen Probenfeldes. Dies führt zwangsläufig zur Summation einer hohen Dosis reaktiver Elektronen durch die Probe und dem damit einhergehenden Verlust feiner Details während der Aufnahme. Um diesen Effekt zu minimieren, wird daher regelmäßig die Niedrigdosis-Bildgebung (Minimaldosis-Bildgebung) angewendet. Bei der Niedrigdosis-Bildgebung werden Beleuchtungs- und Bildgebungsbereiche gleichzeitig von der optischen Achse weggelenkt, um einen an den aufzunehmenden Bereich angrenzenden Bereich (den Hochdosisbereich) abzubilden. Dieser Bereich wird während der Kippbewegung zentriert gehalten und vor der Aufnahme neu fokussiert. Während der Aufnahme werden die Ablenkungen aufgehoben, sodass der interessierende Bereich nur für die zur Bildgebung erforderliche Dauer dem Elektronenstrahl ausgesetzt ist. Eine Verbesserung dieser Technik (für Objekte auf einem geneigten Substratfilm) besteht darin, zwei symmetrische, außerhalb der optischen Achse liegende Bereiche zu fokussieren und anschließend den Fokus auf den Mittelwert der beiden Hochdosis-Fokuswerte einzustellen, bevor der interessierende Niedrigdosisbereich aufgenommen wird.

Nicht-tomographische Varianten dieser Methode, die als Einzelpartikelanalyse bezeichnet werden , nutzen Bilder mehrerer (idealerweise) identischer Objekte in unterschiedlichen Orientierungen, um die für die dreidimensionale Rekonstruktion benötigten Bilddaten zu erzeugen. Weisen die Objekte keine signifikanten Vorzugsorientierungen auf, vermeidet diese Methode den bei tomographischen Verfahren auftretenden Datenverlust (Keil oder Kegel) und führt auch nicht zu einer übermäßigen Strahlenbelastung. Sie setzt jedoch voraus, dass die abgebildeten Objekte so behandelt werden können, als ob die daraus generierten 3D-Daten von einem einzigen stabilen Objekt stammen würden.

Die Probenpräparation für die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) kann ein komplexes Verfahren sein. ^{[ 50 ]} Für ein konventionelles TEM sollten TEM-Proben weniger als 100 Nanometer dick sein. Im Gegensatz zu Neutronen- oder Röntgenstrahlung interagieren die Elektronen im Strahl stark mit der Probe, ein Effekt, der annähernd proportional zum Quadrat der Ordnungszahl ( Z² ) zunimmt. ^{[ 15 ] Hochwertige Proben weisen eine Dicke auf, die mit der mittleren freien Weglänge der Elektronen, die die Probe durchdringen ,} vergleichbar ist und nur wenige zehn Nanometer betragen kann. Die Präparation von TEM-Proben ist abhängig vom zu analysierenden Material und der Art der aus der Probe gewonnenen Information.

Materialien, die klein genug sind, um elektronenmikroskopisch transparent zu sein, wie beispielsweise Pulver, kleine Organismen, Viren oder Nanoröhren, lassen sich schnell durch Aufbringen einer verdünnten Probe auf Trägerfolien präparieren. Biologische Proben können in Harz eingebettet werden, um dem Hochvakuum in der Probenkammer standzuhalten und das Schneiden von Gewebe in elektronenmikroskopisch transparente Dünnschnitte zu ermöglichen. Die biologische Probe kann entweder mit einem Negativkontrastmittel wie Uranylacetat für Bakterien und Viren oder, im Falle eingebetteter Schnitte, mit Schwermetallen, einschließlich Osmiumtetroxid , gefärbt werden. Alternativ können Proben nach dem Einbetten in Eis bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff gelagert werden . ^{[ 51 ]} In der Materialwissenschaft und Metallurgie halten die Proben in der Regel dem Hochvakuum stand, müssen aber dennoch als dünne Folie präpariert oder so geätzt werden, dass ein Teil der Probe dünn genug ist, um vom Elektronenstrahl durchdrungen zu werden. Die Dicke des Materials kann durch den Streuquerschnitt der Atome, aus denen das Material besteht, begrenzt sein.

Vor dem Schneiden wird biologisches Gewebe häufig in einen Epoxidharzblock eingebettet und zunächst mit einer Rasierklinge trapezförmig zugeschnitten. Von dieser Blockfläche werden dann dicke Schnitte angefertigt. Die dicken Schnitte werden grob mit Toluidinblau gefärbt und vor dem Dünnschneiden auf Proben- und Blockorientierung untersucht. ^{[ 52 ]} Anschließend wird das biologische Gewebe auf einem Ultramikrotom auf weniger als 100 nm ausgedünnt . Der Harzblock bricht dabei beim Überfahren einer Glas- oder Diamantmesserkante. ^{[ 53 ]} Mit dieser Methode lassen sich dünne, minimal deformierte Proben gewinnen, die die Beobachtung der Gewebeultrastruktur ermöglichen. Auch anorganische Proben, wie beispielsweise Aluminium, können auf diese Weise in Harze eingebettet und ultradünn geschnitten werden, wobei beschichtete Glas-, Saphir- oder Diamantmesser mit größerem Winkel zum Einsatz kommen. ^{[ 54 ]} Um eine Ladungsansammlung an der Probenoberfläche bei der Betrachtung im TEM zu verhindern, müssen Gewebeproben mit einer dünnen Schicht leitfähigen Materials, wie beispielsweise Kohlenstoff, beschichtet werden.

Für die TEM-Untersuchung biologischer Gewebe werden Farbstoffe mit hoher Ordnungszahl benötigt, um den Kontrast zu erhöhen. Der Farbstoff absorbiert die Elektronen des Elektronenstrahls oder streut einen Teil davon, der sonst auf das Bildgebungssystem projiziert würde. Verbindungen von Schwermetallen wie Osmium , Blei , Uran oder Gold (bei der Immunogoldmarkierung ) können vor der TEM-Untersuchung verwendet werden, um selektiv elektronendichte Atome in oder auf der Probe in der gewünschten Zell- oder Proteinregion abzulagern. Dieses Verfahren erfordert ein Verständnis dafür, wie Schwermetalle an spezifische biologische Gewebe und Zellstrukturen binden. ^{[ 55 ]}

Eine weitere Form der Probenfärbung ist die Negativkontrastierung , bei der eine größere Menge eines Schwermetallfarbstoffs auf die Probe aufgetragen wird. ^{[ 56 ]} Das Ergebnis ist eine Probe mit dunklem Hintergrund, deren Oberfläche heller erscheint. Die Negativkontrast-Elektronenmikroskopie eignet sich ideal zur Visualisierung oder zur Erstellung dreidimensionaler topologischer Rekonstruktionen großer Proteine ​​oder makromolekularer Komplexe (> 150 kDa). Bei kleineren Proteinen kann die Negativkontrastierung als Screening-Schritt eingesetzt werden, um die optimale Probenkonzentration für die Kryo-Elektronenmikroskopie zu ermitteln . ^{[ 56 ]}

Mechanisches Polieren wird auch zur Probenpräparation für die TEM-Bildgebung eingesetzt. Um eine gleichmäßige Probendicke im gesamten Untersuchungsbereich zu gewährleisten, ist ein sorgfältiges Polieren erforderlich. In den letzten Polierschritten können Diamant- oder kubische Bornitrid- Polierpasten verwendet werden, um Kratzer zu entfernen, die aufgrund von Dickenschwankungen zu Kontrastabweichungen führen könnten. Selbst nach sorgfältigem mechanischem Fräsen können zusätzliche Feinbearbeitungsverfahren wie Ionenätzen für die finale Ausdünnung notwendig sein.

Bestimmte Proben, insbesondere metallische, können durch chemisches Ätzen präpariert werden. Diese Proben werden mit einem Ätzmittel, beispielsweise einer Säure, ausgedünnt, um sie für die TEM-Untersuchung vorzubereiten. Vorrichtungen zur Steuerung des Ausdünnungsprozesses ermöglichen es dem Anwender, die durch die Probe fließende Spannung oder den Strom zu regeln und können Systeme zur Erkennung des Zeitpunkts umfassen, an dem die Probe ausreichend dünn für optische Transparenz ist.

Ionenätzen ist ein Sputterverfahren, mit dem sich feinste Materialmengen abtragen lassen. Es dient der Feinpolitur von Proben, die zuvor anderweitig poliert wurden. Beim Ionenätzen wird ein Edelgas durch ein elektrisches Feld geleitet, um einen Plasmastrom zu erzeugen , der auf die Probenoberfläche gerichtet wird. Die Beschleunigungsenergien für Gase wie Argon liegen typischerweise bei einigen Kilovolt. Durch Rotation der Probe kann ein gleichmäßiges Polieren der Oberfläche erreicht werden. Die Abtragsrate liegt im Bereich von einigen zehn Mikrometern pro Stunde, wodurch sich das Verfahren nur für extrem feine Polierarbeiten eignet.

Es wurde kürzlich gezeigt, dass durch Ionenätzen mit Argongas MTJ -Schichtstrukturen bis auf eine bestimmte Schicht abgetragen werden können, die anschließend atomar aufgelöst wurde. Die in Draufsicht anstatt im Querschnitt aufgenommenen TEM-Bilder zeigen, dass die MgO-Schicht innerhalb der MTJs eine große Anzahl von Korngrenzen aufweist, die die Eigenschaften der Bauelemente beeinträchtigen könnten. ^{[ 57 ]}

In jüngerer Zeit werden fokussierte Ionenstrahlverfahren (FIB) zur Probenpräparation eingesetzt. FIB ist eine relativ neue Technik zur Herstellung dünner Proben für die TEM-Untersuchung aus größeren Probenkörpern. Da FIB eine sehr präzise Mikrobearbeitung von Proben ermöglicht, können sehr dünne Membranen aus einem spezifischen Bereich einer Probe, beispielsweise eines Halbleiters oder Metalls, abgefräst werden. Im Gegensatz zur Edelgas-Ionenzerstäubung verwendet FIB deutlich energiereichere Galliumionen und kann durch Galliumimplantation die Zusammensetzung oder Struktur des Materials verändern. ^{[ 58 ]}

Um bei der Übertragung von Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ( Lamellen , Dünnschichten und andere mechanisch und strahlungsempfindliche Proben) in einen fokussierten Ionenstrahl (FIB) eine minimale Belastung und Biegung zu erzielen, können flexible metallische Nanodrähte an einem typischerweise starren Mikromanipulator befestigt werden .

Zu den Hauptvorteilen dieser Methode zählen eine signifikante Reduzierung der Probenpräparationszeit (schnelles Schweißen und Schneiden des Nanodrahts bei niedrigem Strahlstrom) sowie die Minimierung von spannungsinduzierter Biegung, Pt-Kontamination und Ionenstrahlschäden. ^{[ 59 ]} Diese Technik eignet sich besonders für die Probenpräparation für die In-situ-Elektronenmikroskopie .

Proben können auch mithilfe von Celluloseacetatfilm repliziert werden . Dieser Film wird anschließend mit einem Schwermetall wie Platin beschichtet, der ursprüngliche Film aufgelöst und die Replik im TEM abgebildet. Varianten dieser Replikationstechnik werden sowohl für Material- als auch für biologische Proben verwendet. In der Materialwissenschaft dient sie häufig der Untersuchung der frischen Bruchfläche von Metalllegierungen.

Die Leistungsfähigkeit des TEM kann durch zusätzliche Stufen und Detektoren, die manchmal in dasselbe Mikroskop integriert sind, weiter ausgebaut werden.

Ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) lässt sich durch Hinzufügen eines Systems, das einen konvergenten Elektronenstrahl rasterförmig über die Probe führt und so in Kombination mit geeigneten Detektoren ein Bild erzeugt, zu einem Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) umbauen. Scanspulen lenken den Strahl ab, beispielsweise durch elektrostatische Verschiebung. Der Strahl wird anschließend mit einem Stromdetektor, wie etwa einem Faraday-Becher , der als direkter Elektronenzähler dient, erfasst. Durch Korrelation der Elektronenzahl mit der Position des Scanstrahls (der sogenannten „Sonde“) lässt sich die transmittierte Komponente des Strahls messen. Die nicht transmittierten Komponenten können entweder durch Neigen des Strahls oder mithilfe von Ringdunkelfelddetektoren erfasst werden .

Grundsätzlich sind TEM und STEM über die Helmholtz-Reziprozität miteinander verbunden . Ein STEM ist ein TEM, bei dem Elektronenquelle und Beobachtungspunkt relativ zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls vertauscht sind. Siehe die Strahlendiagramme in der Abbildung rechts. Das STEM-Instrument nutzt im Prinzip denselben optischen Aufbau wie ein TEM, arbeitet jedoch, indem es die Ausbreitungsrichtung der Elektronen (oder die Zeit) während des TEM-Betriebs umkehrt. Anstatt wie beim TEM eine Blende zur Steuerung der detektierten Elektronen zu verwenden, nutzt ein STEM verschiedene Detektoren mit Sammelwinkeln, die je nach gewünschter Elektronenart angepasst werden können.

Ein Niederspannungs-Elektronenmikroskop (LVEM) arbeitet mit einer relativ niedrigen Elektronenbeschleunigungsspannung zwischen 5 und 25 kV. Einige dieser Mikroskope vereinen Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) in einem kompakten Gerät. Die niedrige Spannung erhöht den Bildkontrast, was insbesondere bei biologischen Proben wichtig ist. Durch diesen erhöhten Kontrast wird die Notwendigkeit einer Färbung deutlich reduziert oder sogar überflüssig. Im TEM-, REM- und STEM-Modus sind Auflösungen von wenigen Nanometern möglich. Die geringe Energie des Elektronenstrahls ermöglicht den Einsatz von Permanentmagneten als Linsen, wodurch eine miniaturisierte, kühlungsfreie Säule realisiert werden kann. ^{[ 60 ] [ 61 ]}

Die kryogene Transmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM oder Kryo-EM) nutzt ein TEM mit einem Probenhalter, der die Probe auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium halten kann. ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]} Dies ermöglicht die Abbildung von in glasartigem Eis präparierten Proben – die bevorzugte Präparationstechnik für die Abbildung einzelner Moleküle oder makromolekularer Anordnungen – ^{[ 65 ]} , die Abbildung von verglasten Festelektrolyt-Grenzflächen ^{[ 66 ]} sowie die Abbildung von Materialien, die im Hochvakuum bei Raumtemperatur flüchtig sind, wie beispielsweise Schwefel. ^{[ 67 ]} Für viele Quantenmaterialien oder -bauelemente sind niedrige oder ultraniedrige Temperaturen ^{[ 68 ]} erforderlich, um Phasen zu erreichen, in denen neuartiges Quantenverhalten auftritt. ^{[ 69 ]}

In-situ-Experimente können auch im TEM mithilfe differenziell gepumpter Probenkammern oder spezieller Probenhalter durchgeführt werden. ^{[ 70 ]} Zu den Arten von In-situ-Experimenten gehören die Untersuchung von Nanomaterialien ^{[ 71 ]} , biologischen Proben, chemischen Reaktionen von Molekülen ^{[ 72 ]} , Flüssigphasen-Elektronenmikroskopie ^{[ 73 ] [ 74 ]} und Materialverformungsprüfungen. ^{[ 75 ]}

Beim Erhitzen finden zahlreiche Phasenumwandlungen statt. Darüber hinaus verlaufen Kornvergröberung und Kornwachstum sowie andere diffusionsbedingte Prozesse bei erhöhten Temperaturen schneller, da die Kinetik verbessert ist. Dies ermöglicht die Beobachtung entsprechender Phänomene mittels Transmissionselektronenmikroskopie innerhalb eines angemessenen Zeitraums. Auch Phänomene, die bei erhöhten Temperaturen auftreten und in Ex-situ-Proben verschwinden oder nicht einheitlich erhalten bleiben, können so beobachtet werden.

Die Hochtemperatur-TEM bringt verschiedene zusätzliche Herausforderungen mit sich, die bei der Konstruktion der Hochtemperatur-Probenhalter berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören unter anderem die Driftkorrektur, die Temperaturmessung und die verringerte Ortsauflösung, die komplexere Probenhalter erfordert. ^{[ 76 ] [ 77 ]}

Die Probendrift im TEM ist linear proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Raum und Probenhalter. Bei Temperaturen von bis zu 1500 °C in modernen Probenhaltern können Proben eine signifikante Drift und vertikale Auslenkung (Ausbeulung) erfahren, was kontinuierliche Fokussierungs- oder Tischkorrekturen erfordert und zu Auflösungsverlusten und mechanischer Drift führt. ^{[ 78 ] [ 79 ]} Einzelne Labore und Hersteller haben Software in Verbindung mit fortschrittlichen Kühlsystemen entwickelt, um die thermische Drift anhand der vorhergesagten Temperatur in der Probenkammer zu korrigieren. ^{[ 76 ] [ 79 ] [ 80 ]} Diese Systeme benötigen oft 30 Minuten bis mehrere Stunden, bis sich die Probenverschiebungen stabilisieren. Trotz der erzielten Fortschritte gibt es bisher keine universelle TEM-Vorrichtung, die die Drift bei erhöhten Temperaturen berücksichtigt. ^{[ 77 ] [ 78 ] [ 80 ]}

Eine zusätzliche Herausforderung bei vielen dieser Spezialprobenhalter besteht in der Bestimmung der lokalen Probentemperatur. Viele Hochtemperaturprobenhalter verwenden einen Wolframdraht zur lokalen Erwärmung der Probe. ^{[ 76 ] [ 79 ]} Temperaturungenauigkeiten in Ofenheizungen (Wolframdraht) mit Thermoelementen entstehen durch den thermischen Kontakt zwischen Ofen und TEM-Gitter; zusätzlich erschwert durch Temperaturgradienten entlang der Probe, die durch die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit verschiedener Proben- und Gittermaterialien verursacht werden. ^{[ 77 ]} Für verschiedene Probenhalter, sowohl kommerzielle als auch im Labor hergestellte, stehen unterschiedliche Methoden zur Temperaturkalibrierung zur Verfügung. Hersteller wie Gatan verwenden IR-Pyrometrie, um Temperaturgradienten über die gesamte Probe zu messen. Eine noch bessere Kalibrierungsmethode ist die Raman-Spektroskopie, die die lokale Temperatur von Siliziumpulver auf elektronenmikroskopisch transparenten Fenstern misst und die IR-Pyrometrie quantitativ kalibriert. Diese Messungen gewährleisten eine Genauigkeit von unter 5 %. Forschungslabore haben auch eigene Kalibrierungen an kommerziellen Probenhaltern durchgeführt. Forscher am NIST nutzten die Raman-Spektroskopie, um das Temperaturprofil einer Probe auf einem TEM-Gitter abzubilden und sehr präzise Messungen zur Verbesserung ihrer Forschung zu erzielen. ^{[ 81 ]} Eine Forschungsgruppe in Deutschland nutzte ebenfalls Röntgenbeugung, um geringfügige Verschiebungen des Gitterabstands infolge von Temperaturänderungen zu messen und daraus die exakte Temperatur im Probenhalter zu berechnen. Dieses Verfahren erforderte eine sorgfältige Kalibrierung und präzise TEM-Optik. ^{[ 82 ]} Weitere Beispiele sind die Verwendung von EELS zur Messung der lokalen Temperatur anhand von Gasdichteänderungen ^{[ 83 ]} und Widerstandsänderungen. ^{[ 77 ]}

Die optimale Auflösung in einem TEM wird erreicht, wenn sphärische Aberrationen mit dem Objektiv korrigiert werden. Aufgrund der Geometrie der meisten TEMs erfordert das Einsetzen großer Probenhalter jedoch Kompromisse beim Objektiv und die damit verbundenen sphärischen Aberrationen. Daher besteht ein Kompromiss zwischen der Breite des Polschuhspalts und der Ortsauflösung unter 0,1 nm. Forschungsgruppen an verschiedenen Institutionen haben versucht, sphärische Aberrationen durch den Einsatz von Monochromatoren zu kompensieren und so eine Auflösung von 0,05 nm bei einem Polschuhspalt von 5 mm zu erzielen. ^{[ 84 ]}

Die hohe Auflösung der TEM ermöglicht die Untersuchung der Probe auf einer Längenskala von Hunderten von Nanometern bis zu mehreren Angström. Dadurch lassen sich sowohl elastische als auch plastische Verformungen über Dehnungsfelder visualisieren, ebenso wie die Bewegung kristallographischer Defekte wie Gitterverzerrungen und Versetzungsbewegungen . Durch die gleichzeitige Beobachtung von Verformungsphänomenen und die Messung der mechanischen Reaktion in situ können nanomechanische Prüfergebnisse mit Modellen verknüpft werden, die sowohl die Feinheiten als auch die Komplexität des Materialverhaltens unter Spannung und Dehnung beschreiben. ^{[ 85 ]} Die Materialeigenschaften und die Genauigkeit der aus solchen nanomechanischen Prüfungen gewonnenen Daten hängen maßgeblich von der verwendeten Prüfvorrichtung ab. Aktuelle Prüfvorrichtungen ermöglichen Zugversuche , Nanoindentationen , Druckversuche, Scherversuche und Biegeversuche an Materialien. ^{[ 86 ]}

Einer der Pioniere klassischer Probenhalter war Heinz G. F. Wilsdorf, der 1958 einen Zugversuch in einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) durchführte. ^{[ 87 ]} In einem typischen Experiment werden elektronenmikroskopisch transparente TEM-Proben zugeschnitten und auf ein verformbares Gitter geklebt. Fortschritte bei Mikromanipulatoren ermöglichten auch Zugversuche an Nanodrähten und Dünnschichten . Das verformbare Gitter wird an den klassischen Zugprobenhalter angebracht, der die Probe mithilfe einer langen, starren Welle dehnt. Diese Welle ist mit einem Schneckengetriebe verbunden, das von einem Elektromotor in einem Gehäuse außerhalb des TEM angetrieben wird. Typische Dehnungsraten liegen zwischen 10 nm/s und 10 μm/s. ^{[ 88 ]} Speziell angefertigte Probenhalter, die die einfache Dehnungstechnik erweitern, ermöglichten Biegeversuche mit einem Biegeprobenhalter ^{[ 89 ]} und Scherversuche mit einem Scherprobenhalter. ^{[ 90 ]} Die typischerweise gemessenen Probeneigenschaften in diesen Experimenten sind Streckgrenze , Elastizitätsmodul , Schermodul , Zugfestigkeit , Biegefestigkeit und Scherfestigkeit . Um die temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften von TEM-Proben zu untersuchen, kann der Probenhalter mittels eines Kühlfingers, der mit einem Flüssigstickstoffreservoir verbunden ist, gekühlt werden. Für Hochtemperaturexperimente kann die TEM-Probe auch mit einem miniaturisierten Ofen oder einem Laser erhitzt werden, der typischerweise Temperaturen von 1000 °C erreicht. ^{[ 91 ]}

Nanoindentationshalter führen Härteprüfungen an dem zu untersuchenden Material durch, indem sie eine harte Spitze in eine polierte, ebene Oberfläche drücken und die aufgebrachte Kraft sowie die resultierende Verschiebung an der TEM-Probe über eine Kapazitätsänderung zwischen einer Referenzelektrode und einer beweglichen, an der Spitze befestigten elektrostatischen Platte messen. ^{[ 92 ]} Typische Messgrößen der Probe sind Härte und Elastizitätsmodul . Obwohl Nanoindentation bereits seit den frühen 1980er Jahren möglich war, wurde ihre Untersuchung mittels TEM erstmals 2001 beschrieben. Dabei wurde eine auf einem Siliziumkeil abgeschiedene Aluminiumprobe untersucht. ^{[ 93 ]} Für Nanoindentationsversuche werden TEM-Proben typischerweise mithilfe eines Dreibeinpolierers, eines H-förmigen Fensters oder eines mittels fokussiertem Ionenstrahl erzeugten Mikro-Nanopfeilers keilförmig geformt , um ausreichend Platz für das Aufdrücken der Spitze an der gewünschten elektronenmikroskopisch transparenten Stelle zu schaffen. Die Indenterspitzen sind typischerweise flach (stempelförmig), pyramidenförmig oder keilförmig und in z-Richtung verlängert. ^{[ 94 ]} Pyramidenförmige Spitzen bieten eine hohe Präzision im Bereich von 10 nm, neigen jedoch zum Abrutschen der Probe, während Keileindringkörper einen größeren Kontakt aufweisen, um ein Abrutschen zu verhindern. Allerdings ist aufgrund der großen Kontaktfläche mit der TEM-Probe eine Finite-Elemente-Analyse zur Modellierung der übertragenen Spannung erforderlich, da dies beinahe einem Kompressionstest entspricht. ^{[ 95 ]}

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bieten eine kostengünstige und anpassbare Plattform für mechanische Prüfungen an bisher schwer zugänglichen Proben wie Mikrosäulen, Nanodrähten und Dünnschichten. ^{[ 96 ]} Passive MEMS dienen als einfache Zug-Druck-Vorrichtungen für mechanische In-situ-Tests. Typischerweise wird ein Nanoindentationshalter verwendet, um eine Druckkraft an der Indentationsstelle auszuüben. Durch die Geometrie der Arme wird diese Druckkraft in eine Zugkraft auf zwei Zugplatten umgewandelt, an denen die Probe befestigt ist. Eine auf die Außenseite der MEMS wirkende Kompression führt somit zu einer Zugkraft im zentralen Spalt, in dem sich die TEM-Probe befindet. Die resultierende Kraft-Weg-Kurve muss korrigiert werden, indem der gleiche Test an einer leeren MEMS ohne TEM-Probe durchgeführt wird, um die Steifigkeit der leeren MEMS zu berücksichtigen. Die Abmessungen und die Steifigkeit der MEMS können angepasst werden, um Zugversuche an unterschiedlich großen Proben mit verschiedenen Belastungen durchzuführen. Um den Ansteuerungsprozess zu optimieren, wurden aktive MEMS mit integrierten Aktuatoren und Sensoren entwickelt . Diese Bauelemente arbeiten, indem sie mittels elektrischer Energie eine Spannung aufbringen und die Dehnung anhand von Kapazitätsänderungen messen . ^{[ 97 ]} Für sehr geringe Kräfte im Bereich von 1–100 nN wurden außerdem elektrostatisch betätigte MEMS entwickelt. ^{[ 98 ]}

Ein Großteil der aktuellen Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von Probenhaltern, die mechanische Prüfungen unter Einwirkung von Umwelteinflüssen wie Temperaturänderungen, variablen Dehnungsraten und unterschiedlichen Gasatmosphären ermöglichen. Darüber hinaus erlauben hochauflösende Detektoren die Überwachung der Versetzungsbewegung und ihrer Wechselwirkungen mit anderen Defekten und erweitern die Grenzen subnanometergenauer Dehnungsmessungen. In-situ-TEM-Messungen werden routinemäßig mit anderen Standard-TEM-Messungen wie EELS und XEDS kombiniert , um ein umfassendes Verständnis der Probenstruktur und -eigenschaften zu erlangen. ^{[ 99 ]}

Moderne TEMs für die Forschung können Aberrationskorrektoren enthalten [ ^{19 ] ,} um Bildverzerrungen zu reduzieren. Zudem können Monochromatoren für den einfallenden Strahl eingesetzt werden, die die Energieverteilung des Elektronenstrahls auf unter 0,15  eV verringern ^{[ 19 ]} . Zu den führenden Herstellern von aberrationskorrigierten TEMs gehören JEOL , Hitachi High-Technologies, FEI Company und NION.

Mit gepulsten Elektronen lässt sich eine zeitliche Auflösung erzielen, die weit über die Ausleserate von Elektronendetektoren hinausgeht . Die Pulse können entweder durch Modifizierung der Elektronenquelle zur lasergetriggerten Photoemission ^{[ 100 ]} oder durch den Einsatz eines ultraschnellen Strahlunterdrückers ^{[ 101 ]} erzeugt werden. Bei Verwendung stroboskopischer Pump-Probe- Beleuchtung spricht man von ultraschneller Transmissionselektronenmikroskopie (TEM ): Ein Bild entsteht durch die Akkumulation vieler ultrakurzer Elektronenpulse (typischerweise einige hundert Femtosekunden) mit einer festen Zeitverzögerung zwischen dem Eintreffen des Elektronenpulses und der Anregung der Probe. Die Verwendung einzelner oder kurzer Sequenzen von Elektronenpulsen mit einer ausreichenden Anzahl von Elektronen zur Bilderzeugung aus jedem Puls wird hingegen als dynamische Transmissionselektronenmikroskopie (DTEM) bezeichnet. In der ultraschnellen TEM sind zeitliche Auflösungen bis in den Bereich von einigen hundert Femtosekunden und eine mit der einer Schottky-Feldemissionsquelle vergleichbare Ortsauflösung möglich. ^{[ 102 ]} Mithilfe des Photon-Gating-Verfahrens ^{[ 103 ]} erreicht die zeitliche Auflösung im ultraschnellen Elektronenmikroskop 30 fs und ermöglicht so die Abbildung ultraschneller atomarer und elektronischer Dynamiken in Materie. ^{[ 104 ]} Allerdings kann diese Technik nur reversible Prozesse abbilden, die millionenfach reproduzierbar ausgelöst werden können. Dynamische TEM hingegen kann irreversible Prozesse bis in den Bereich von einigen zehn Nanosekunden und einigen zehn Nanometern auflösen. ^{[ 105 ]}

Die Technik wurde Anfang der 2000er Jahre in Laboren in Deutschland ( Technische Universität Berlin ^{[ 100 ]} ) und in den USA ( Caltech ^{[ 106 ] [ 107 ]} und Lawrence Livermore National Laboratory ^{[ 108 ] [ 109 ]} ) entwickelt. Ultraschnelle TEM und dynamische TEM ermöglichen die Echtzeituntersuchung zahlreicher physikalischer und chemischer Phänomene im Nanobereich.

Eine interessante Variante der ultraschnellen Transmissionselektronenmikroskopie ist die photoneninduzierte Nahfeld-Elektronenmikroskopie (PINEM). Diese basiert auf der inelastischen Kopplung zwischen Elektronen und Photonen in Gegenwart einer Oberfläche oder einer Nanostruktur. ^{[ 110 ]} Mit dieser Methode lassen sich zeitlich veränderliche elektromagnetische Felder im Nanobereich im Elektronenmikroskop untersuchen sowie die Welleneigenschaften des Elektronenstrahls dynamisch formen.

Die TEM-Technik weist einige Nachteile auf. Viele Materialien erfordern eine aufwendige Probenpräparation, um eine ausreichend dünne, elektronenmikroskopisch transparente Probe zu erhalten. Dies macht die TEM-Analyse zu einem relativ zeitaufwändigen Prozess mit geringem Probendurchsatz. Zudem kann sich die Probenstruktur während der Präparation verändern. Das relativ kleine Sichtfeld birgt die Gefahr, dass der analysierte Bereich nicht repräsentativ für die gesamte Probe ist. Insbesondere bei biologischen Materialien besteht die Gefahr, dass die Probe durch den Elektronenstrahl beschädigt wird.

Die im TEM erreichbare Auflösungsgrenze lässt sich auf verschiedene Weisen beschreiben und wird üblicherweise als Informationsgrenze des Mikroskops bezeichnet. Ein häufig verwendeter Wert ist der Grenzwert der Kontrastübertragungsfunktion , einer Funktion, die üblicherweise im Frequenzbereich angegeben wird, um die Wiedergabe der Ortsfrequenzen von Objekten in der Objektebene durch die Mikroskopoptik zu definieren . Die Grenzfrequenz q_{_max} der Übertragungsfunktion kann durch die folgende Gleichung angenähert werden, wobei C _{_s} der sphärische Aberrationskoeffizient und λ die Elektronenwellenlänge ist: ^{[ 39 ]}

${\displaystyle q_{\max }={\frac {1}{0.67(C_{\text{s}}\lambda ^{3})^{1/4}}}.}$

Für ein 200-kV-Mikroskop mit teilweise korrigierten sphärischen Aberrationen (bis zur dritten Ordnung) und einem C _{_s}-Wert von 1 μm ^{[ 112 ]} könnte ein theoretischer Grenzwert 1/ q_{_max} = 42  pm betragen . ^{[ 39 ]} Dasselbe Mikroskop ohne Korrektor hätte einen C _{_s}-Wert von 0,5 mm und somit einen Grenzwert von 200 pm. ^{[ 112 ]} Die sphärischen Aberrationen werden in den „ aberrationskorrigierten “ Mikroskopen bis zur dritten oder fünften Ordnung unterdrückt . Ihre Auflösung ist jedoch durch die Geometrie und Helligkeit der Elektronenquelle sowie durch chromatische Aberrationen im Objektivsystem begrenzt. ^{[ 19 ] [ 113 ]}

Die Frequenzbereichsdarstellung der Kontrastübertragungsfunktion kann häufig ein oszillatorisches Verhalten aufweisen ^{[ 114 ]} , das durch Anpassen der Brennweite des Objektivs beeinflusst werden kann. Dieses oszillatorische Verhalten bedingt, dass einige Ortsfrequenzen vom Mikroskop originalgetreu abgebildet werden, während andere unterdrückt werden. Durch die Kombination mehrerer Bilder mit unterschiedlichen Ortsfrequenzen kann die Auflösung des TEM mithilfe von Techniken wie der Fokusreihenrekonstruktion in begrenztem Umfang verbessert werden ^{[ 39 ]} . Die Kontrastübertragungsfunktion lässt sich bis zu einem gewissen Grad experimentell durch Techniken wie die Fourier-Transformation von Bildern amorpher Materialien, beispielsweise amorphem Kohlenstoff , annähern .

Neuere Fortschritte im Design von Aberrationskorrektoren haben es ermöglicht, sphärische Aberrationen zu reduzieren ^{[ 115 ]} und eine Auflösung von unter 0,5 Ångström (50 pm) ^{[ 113 ]} bei Vergrößerungen über 50 Millionen-fach zu erreichen. ^{[ 116 ]} Die verbesserte Auflösung erlaubt die Abbildung leichterer Atome, die Elektronen weniger effizient streuen, wie beispielsweise Lithiumatome in Lithiumbatteriematerialien. ^{[ 117 ]} Die Möglichkeit, die Position von Atomen in Materialien zu bestimmen, hat das HRTEM zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Nanotechnologieforschung und -entwicklung in vielen Bereichen gemacht, darunter die heterogene Katalyse und die Entwicklung von Halbleiterbauelementen für Elektronik und Photonik. ^{[ 118 ]}

• Nationales Zentrum für Elektronenmikroskopie, Berkeley, Kalifornien, USA
• Nationales Zentrum für makromolekulare Bildgebung, Houston, Texas, USA
• Nationales Ressourcenzentrum für automatisierte Molekularmikroskopie, New York, USA
• Einführungskurse in die Transmissionselektronenmikroskopie
• Lehr- und Lernpaket der Universität Cambridge zum Thema TEM
• Online-Kurs über Transmissionselektronenmikroskopie und kristalline Defekte Eric Stach (2008).
• Simulator für Transmissionselektronenmikroskopie (Lehrmittel).
• Animationen und Erklärungen zu verschiedenen Mikroskoptypen, einschließlich Elektronenmikroskopen (Université Paris Sud)