Bau eines REM-Modells
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ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht DÜSSELDORF Bau eines REM-Modells Florian Büttner Maurice Wald Schule: St. Michael-Gymnasium Markt 11 53902 Bad Münstereifel Jugend forscht 2010 Bau eines REM-Modells Heizung Wolframspitze Spule Spule Mikrokanalplatte Probe Mehrfachstecker Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald St. Michael-Gymnasium Bad Münstereifel Bau eines REM-Modells Bau eines REM-Modells 1. Zusammenfassung 2. Zielsetzung 3. Funktionsweise eines Rasterelektronenmikroskops 4. Lasermodelle 4.1 Das Abflussrohrmodell 4.2 Das X-Y-Schreibermodell 5. Das Elektronenstrahlmodell 5.1 Bauplan 5.2 Mikrokanalplatte 5.3 Problem Elektronenkanone 5.4 Signalaufzeichnung 5.5 Problem Vakuum 6. Ausblick 7. Danksagung 8. Linkliste Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 1 Bau eines REM-Modells 1. Kurzfassung Heutzutage sind Rasterelektronenmikroskope (REM) von großem Interesse. Mit ihnen ist es möglich in kleinste Welten vorzudringen. Leider ist es an Schulen aus Kostengründen nicht möglich Rasterelektronenmikroskopie durchzuführen. Ziel unserer Schüex-Arbeit ist es deshalb, ein Rasterelektronenmikroskop-Modell für Schulen zu bauen, an dem die Schüler wenigstens die Funktionsweise dieses wichtigen Gerätes verstehen können. In unserem ersten Modell ersetzten wir die Elektronen durch Photonen, d.h., wir verwendeten anstelle der Elektronenkanone einen Laserpointer. Diesen bauten wir zusammen mit einem LDR und einer „atomaren Oberfläche“ in ein Abflussrohr ein. Die „atomare Oberfläche“ - bestehend aus kleinen Kunststoffkugeln - rasterten wir mit dem Laserstrahl ab. Die von der LDR-Schaltung gelieferten Spannungswerte trugen wir in Excel ein und so erhielten wir ein einfaches 3D-Bild der abgerasterten Oberfläche. Um ein REM mit einem richtigen Elektronenstrahl zu verwirklichen, versuchten wir zunächst eine eigene einfache Elektronenkanone zu bauen. Bei unseren ersten Experimenten sahen wir uns aber mit einer Vielzahl von Problemen konfrontiert. Da eine geeignete Fokussierung von Elektronen so nicht möglich war, entschieden wir uns eine Elektronenkanone aus einem Monitor auszubauen. Durch ein verbessertes Vakuum und die ständige Optimierung unserer Apparatur hoffen wir unserem Ziel nahe zu kommen, ein möglichst realistisches Modell eines REM sehr preiswert herzustellen. 2. Zielsetzung Heutzutage sind Rasterelektronenmikroskope (REM) von großem Interesse. Mit ihnen ist es möglich in kleinste Welten vorzudringen. Leider ist es an Schulen aus Kostengründen nicht möglich Rasterelektronenmikroskopie durchzuführen. Ziel unserer Schüex-Arbeit ist es deshalb, ein Rasterelektronenmikroskop-Modell für Schulen zu bauen, an dem die Schüler wenigstens die Funktionsweise dieses wichtigen Gerätes verstehen können. Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 2 Bau eines REM-Modells 3. Funktionsweise eines Rasterelektronenmikrokops Abb. 3.1: Funktionsweise eines Rasterelektronenmikroskops Quelle: Wikipedia Bei einem Rasterelektronenmikrokop (REM) befindet ganz oben eine Elektronenkanone; im einfachsten Fall ein Wolframdraht. Über diesen Draht werden mit Hilfe von Hochspannung Elektronen beschleunigt, welche durch ringförmige Spulen zu einem haarfeinen Strahl gebündelt werden. Trifft dieser Strahl nun auf eine Probe, so entstehen Sekundärelektronen, welche aufgefangen und mit Hilfe eines Computers zu einem Bild verarbeitet werden. Da man aber so immer nur einen einzelnen Punkt der Probe sehen kann, wird der Elektronenstrahl mit Hilfe der Spulen so gelenkt, dass er die Probe zeilenweise abrastert. So entsteht ein ganzes Bild. Will man nun das Bild der Probe vergrößern, verkleinert man einfach den Bereich der abgerastert wird. Für den Bau unseres Rasterelektronenmikroskops dürfen wir nur Spannungen unter 5 kV benutzen, damit keine gefährliche Röntgenstrahlung entsteht. Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 3 Bau eines REM-Modells 4. Lasermodelle 4.1 Das Abflussrohrmodell Statt Elektronen auf das zu betrachtende Objekt zu schießen benutzten wir in unserem ersten Modell Photonen aus einem handelsüblichen Laserpointer. In unserem sogenannten „Abflussrohrmodell“ (Abb. 4.1), welches wesentlich einfacher zu bauen ist als eines mit Elektronen, bauten wir in ein Rohrstück einen LDR ein, bohrten in den Deckel ein Loch und bauten eine Vorrichtung die den Laserpointer hielt. So kann die Funktionsweise eines REM gut erklärt werden. Abbildung 4.1: Abflussrohrmodell mit angeschlossenem Widerstandsmessgerät Unsere ersten Messungen beruhten nur auf Hell- und Dunkelbetrachtungen. Dazu benutzten wir weiße und schwarze Pappstreifen, schlossen den LDR an ein Widerstandsmessgerät an und trugen per Hand die Werte in Excel ein um Unterschiede zu verdeutlichen. Dabei kam als Ergebnis ein deutlicher Unterschied zwischen hell und dunkel heraus (Abb. 4. 2). Abbildung 4.2: Die Messergebnisse zeigen einen deutlichen Unterschied zwischen schwarz und weiß Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 4 Bau eines REM-Modells Abbildung 4.3: Unser Abflussrohrmodell getestet an einem dreidimensionalen Objekt. Noch von Hand abgerastert und ebenfalls von Hand gemessen und eingetragen Jedoch wollten wir nicht in dieser Dimension verweilen, sondern auch dreidimensionale Objekte mit dem Laserpointer abrastern, um sie so mit Excel darstellen können. So nahmen wir uns zwei weiße Kugeln, steckten diese in mit schwarzer Pappe überklebtes Styropor, und rasterten dieses 3D-Objekt nach einem Rastergitter auf der Pappe ab (Abb. 4. 3). Diese Werte in Excel eingetragen ergab schon ein dreidimensionales Bild. Jedoch waren es keine zwei Kugeln, sondern es erinnerte mehr an die Höcker eines Kamels (Abb. 4. 4). Abbildung 4.4 : Messergebnisse dargestellt mit Excel Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 5 Bau eines REM-Modells 4.2 Das X-Y-Schreiber-Modell Das Abflussrohrmodell brachte uns zwar ein Bild, jedoch war es infolge der Handabrasterung nicht sehr genau und es dauerte sehr lange, bis wir die Messwerte per Hand in Excel eingegeben hatten. So entschieden wir uns für eine automatische Bewegung des Laserpointers durch einen alten X-Y-Schreiber, welcher sich im gleichmäßig einstellbaren Tempo horizontal bewegt und auch in der Höhe verstellbar ist. Damit wäre das Problem der ungenauen Rasterung geklärt. Es bleibt aber noch das Problem mit der Messwerterfassung. Auch dafür fiel uns nach langer Grübelei eine Lösung ein: Unser Ein Data Logger. Das ist ein Abbildung 4.5: Messgerät „Data Logger“ Messgerät mit Software, womit man die Messwerte auf den Computer übertragen, aufzeichnen und dann in Excel eintragen kann (Abb. 4.5). Über einen Spannungsteiler zeichneten wir die Abbildung 4.6: Unser Spannungsteiler mit angebautem Spannungsänderungen auf. Erhöht sich der Data Logger Widerstand des LDRs, erhöht sich ebenfalls die Spannung, die am Data Logger gemessen wird (Abb. 4.6). Erste Kurven wiesen bereits eine gute Genauigkeit auf, trotz nur 20 Messungen pro Reihe. Nach Verbesserung der Leuchtstärke des Laserspointers und der Geschwindigkeit des X-Y-Schreibers, wagten wir den ersten Versuch: Die Aufzeichnung eines kompletten 3DObjektes, d.h., 3x3 weiße Kugeln ganz abzurastern (Abb. 4.7). Schüler experimentieren 2010 Abbildung 4.7: X-Y-Schreibermodell mit X-YSchreiber, Laserpointer, 3-D-Objekt, Data Logger, Schaltung und angeschlossenem PC Florian Büttner und Maurice Wald Seite 6 Bau eines REM-Modells Die Messergebnisse, importiert in Excel und als Oberflächendiagramm dargestellt, ergaben nach viel Messerei ein erstaunlich genaues 3D-Bild welches trotz nur 20 Messungen in X-, und 21 in Y-Richtung, eine relativ gute Oberfläche darstellt und unserer Meinung nach krönend die Lasermodelle für uns abschließt (Abb. 4.8). Anhand unserer Photonenmodelle kann man sehr gut verstehen, wie bei einem REM mittels Abrasterung ein 3D-Bild entsteht. Viele Leute denken ja, der Sensor im REM sieht wie eine Digitalkamera in einem Lichtmikroskop. Dies ist jedoch falsch. Auf einem CCD-Chip sind viele Sensoren. In einem REM befindet sich aber nur ein Sensor und trotzdem kann der Computer hieraus ein 3D-Bild machen. Im Großen und Ganzen waren die Lasermodelle ein Erfolg für unser Projekt „Bau eines REM-Modells“. Abbildung 4.8: Die Messwerte vom Data Logger in Excel eingetragen und als Oberflächendiagramm dargestellt ergeben ein gut erkennbares 3D-Bild des Objekts Da das mit den Photonen jetzt abgeschlossen war, wendeten wir uns nun der Elektronenkanone und dem Vakuum zu. Hier wartete wieder eine Menge von Problemen auf uns. Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 7 Bau eines REM-Modells 5.1 Bauplan Abbildung 5.1: Unsere Vakuumglocke auf der Plexiglasplatte mit Kontakten Womit fängt ein gutes Projekt an? Natürlich mit einem Plan. Um unseren Plan einmal zu erklären: Das transparente Rechteck in Abbildung 5.1 ist unsere Plexiglasplatte mit durchgeführten Anschlüssen für die elektrische Verkabelung des REMs. In Abbildung 5.2 haben wir dargestellt, wie unser fertiges REMModell aussehen soll. Der „Mehrfachstecker“ ist ein Durchgang durch die Platte, welcher 6 Anschlüsse mit sich führt. An ihm soll die Heizung der Elektronenkanone und die Spulen angeschlossen werden. Die Spulen steuern den Elektronenstrahl über die beschichtete Probe. Die Wolframspitze wird die „Quelle“ des Elektronenstrahls werden. Deshalb liegt an ihr der negative Pol der Hochspannung an. Der positive Pol liegt an der Unterlage und der Probe an, damit der Elektronen auch in Richtung Probe fliegen. Die Rückstreu- und Sekundärelektronen werden von unserer Mikrokanalplatte vervielfacht und von der Auffangplatte hinter der Mikrokanalplatte aufgefangen. Dadurch fließt ein Strom durch den Widerstand außerhalb der Vakuumglocke. Mit einem Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 8 Bau eines REM-Modells Speicheroszilloskop kann die am Widerstand anfallende Spannung aufgezeichnet werden. Wie bei unserem Lasermodell kann mittels eines Computers aus den aufgezeichneten Spannungsänderungen ein Bild erstellt werden. Heizung Wolframspitze Spule Spule Mikrokanalplatte Probe Mehrfachstecker Abbildung 5.2: Bauplan für unser REM-Modell unter der Vakuumglocke Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 9 Bau eines REM-Modells 5.2 Mikrokanalplatte Eine Mikrokanalplatte ist von mikroskopisch feinen Kanälen mit einem Durchmesser von 6-8 µm durchzogen. Diese sind in einem Abstand von 10µm voneinander entfernt. Damit auch alle Elektronen mehrmals gegen eine Kanalwand prallen, und so zahlreiche neue Elektronen auslösen, sind die Kanäle in einem Winkel von 10° geneigt. Nach dem Austreten hat sich die Elektronenzahl um das ca. 1000-fache erhöht (Abb. 5.3). Abbildung 5.3 Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Mikrokanalplatte Quelle: Wikipedia Unsere erste Idee war es, die Mikrokanalplatte mit einem dahinter befestigten Leuchtschirm oder einem CCD-Chip von einer WebCam als „Auge“ zu benutzen, denn die Mikrokanalplatte ja sehr viele kleine Löcher, so dass man vielleicht ein feingerastertes Bild der Probe sehen könnte. Diese Idee haben wir jedoch nach einigem Hin- und Herüberlegen wieder verworfen, denn dieser Aufbau entspricht ja letztlich nicht unserer Zielsetzung, ein REM-Modell zu bauen. Stattdessen wollen wir Mikrokanalplatte als Elektronenvervielfacher nutzen. So erhalten wir ein genügend starkes und damit rauscharmes Signal für die Signalaufzeichnung. Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 10 Bau eines REM-Modells 5.3 Problem Elektronenkanone Ein großes Problem was es zu bewältigen gab war der Bau einer Elektronenkanone. Einen Elektronenstrahl mit großer Reichweite zu erschaffen, wenn man aus Gründen der Sicherheit (Vermeidung von gefährliches Röntgenstrahlung) nur eine Spannung kleiner als 5 kV verwenden darf, ist kein Kinderspiel. Mit unseren selbstgebauten Elektronenkanonen schafften wir es jedenfalls nicht. Selbst als wir kurzzeitig mal 30 kV anlegten, erhielten wir einen Elektronenstrahl von nur wenigen Zentimeter Länge. Abb. 5.4: Die geringe Reichweite des Elektronenstrahls ist ein großes Problem Nach einigem Hin- und Herüberlegen kam dann der Einfall, dass in handelsüblichen Bildschirmen ja schon eine eine fertige Elektronenkanone vorhanden ist (Abb. 5.5). Natürlich waren uns die Gefahren der Implosion beim Öffnen und „schlachten“ der Bildröhre bekannt. So „schlachteten“ wir den Monitor unter strenger Sicherheitsaufsicht. Das Resultat waren einige Scherben und eine, so scheint es, intakte Elektronenkanone (Abb. 5.6). Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 11 Bau eines REM-Modells Abbildung 5.5: Geöffneter Monitor mit Elektronenkanone und Elektrik Abbildung 5.6: „Geschlachter“ Monitor, Elektronenkanone mit intakter Spule zur Ablenkung des Strahls Die Frage ist nun, warum haben wir die Elektronenkanone noch nicht getestet? Eine Antwort auf diese Frage geben wir in Kapitel 5.5. Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 12 Bau eines REM-Modells 5.4 Signalaufzeichnung Da der Elektronenstrahl der Elektronenkanone aus dem „geschlachteten“ Monitor unsere Probe sehr schnell abrastern würde, ergibt die Datenaufzeichnung mit unserem Data Logger keinen Sinn, da er nur drei Messwerte pro Sekunde aufnimmt. Also musste ein schnelleres Gerät her. Zum Glück besitzt unsere Schule ein schnelles digitales Speicheroszilloskop mit USB-Anschluss. Nach dem wir uns mit der Bedienung des Gerätes und der zugehörigen Software vertraut gemacht hatten, starten wir unsere erste Messung. Dazu benutzten wir wieder unser X-Y-Schreibermodell. Wie man auf der Abbildung 5.6 sehen kann, gelang uns diese Messung ganz gut. Abbildung 5.6: Unser Speicheroszilloskop Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 13 Bau eines REM-Modells 5.5 Problem Vakuum In Kapitel 5.3 haben wir die Frage gestellt, warum wir unsere Elektronenkanone noch nicht getestet haben? Hier ist nun die Antwort: Wir haben Angst, dass uns die Heizung der Elektronenkanone durchbrennt. Warum? Weil unser Vakuum zu schlecht ist! Bei unseren selbstgebauten Elektronenkanonen sind uns die Wolframglühwendel, die wir kleinen Glühbirnchen entnommen haben, trotz geringer Stromstärke schon nach relativ kurzer Betriebsdauer durchgebrannt, bzw. sie sind verdampft. Das unser Vakuum kein optimales Vakuum ist, erkennt man auch an den Lichtbögen (Plasmaschläuchen) auf der Abbildung 5.4. Vakuum kann man mit Hochspannung nicht zum Leuchten bringen, Luft aber schon. Unser Druckmessgerät zeigte zwar regelmäßig den Wert Null an und manchmal sogar negative Werte, doch wir trauen ihm nicht. Bis zum Wettbewerb müssen wir unser Vakuum verbessern, in dem wir unsere Apparatur besser abdichten und uns eine bessere Vakuumpumpe besorgen, denn unsere alte Drehschieberpumpe scheint unseren Ansprüchen nicht mehr gerecht zu werden. Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 14 Bau eines REM-Modells 6. Ausblick Wir sind überzeugt, dass man anhand unserer Lasermodelle die Funktionsweise eines Rasterelektronenmikroskops sehr gut verstehen kann. Für den Bau eines überzeugenden Elektronenstrahlmodells benötigen wir jedoch eine bessere Vakuumpumpe. Wir hoffen, dass wir eine solche Pumpe besorgen können und unser Modell noch bis zum Wettbewerb fertigstellen können. 7. Danksagung Wir danken unserem Bertreuungslehrer Walter Stein, der uns alle unsere Fragen immer geduldig beantwortet hat. 8. Literatur- und Linkliste 1. Stetter, Andreas Rasterelektronenmikroskopie Teil I http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/schwarz/Mikroskopie/03-REM.pdf 2. Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Hauptseite Schüler experimentieren 2010 Florian Büttner und Maurice Wald Seite 15
