Elektronenmikroskopische Untersuchung zu Heiko`s Aluminiumfolienrätsel

[wilfried48]

Liebes Forum,

bei der Diskussion über die Natur der Löcher die in Heiko`s Aluminiumfolienrätsel durch lokales Erhitzen mit einem Gasbrenner in gewöhnlicher Haushaltsfolie entstanden sind,
https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=19016.msg145017#msg145017
hatte ich versprochen Untersuchungen zur Materialzusammensetzung und Kristallinität in den enstandenen durchsichtigen Mikrolochbereichen mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) durchzuführen.

Heiko hat mir ein Stück so behandelte Folie geschickt und ich habe aus dem entsprechenden Bereich eine TEM Probe mit 3 mm Durchmesser ausgestanzt in der Hoffnung dass die Lochbereiche dünn genug für die Transmissionselektronenmikroskopie mit 200 KV Elektronen sind.

Die nächste beiden Aufnahmen zeigt die Folie im TEM Probenhalter aufgenommen im Stereomikroskop bei 7 facher und 63 facher Vergösserung:





Wegen der Brüchgkeit der dünnen Folie im entsprechenden Bereich musste ich sie mit einem Cu Objektträgergitter unterlegen, wie es auch auf der zweiten Probenstation im ersten Bild oben rechts zu sehen ist. Es gibt dann immer noch mehrere Bereiche wo die Löcher in der Folie mit Freiräumen des Objelträgergitters zusammen fallen und das ganze ist tatsächlich im TEM durchstrahlbar wie die nächsten Aufnahmen bei hoher Vergrösserung aus der Mitte der im Lichtmikroskop durchsichtigen Folienbereiche zeigen:

25 000 fach:


und Ausschnit 100 000 fach:


Man sieht dass die im Lichtmikroskop durchsichtigen Bereiche aus sehr kleinen Kristalliten mit der Grösse von wenigen Nanometern bis einige zehn Nanometer bestehen. Das Material ist also nanokristallin.

Dann muss es mit Elektronenbeugung auch ein entsprechendes kristallines Beugungsbild (Ringdiagramm) zeigen (so wie ein Pulverdiffraktogramm in der Röntgenenbeugung). Das nächste Bild zeigt ein solches Feinbereichs-Elektronenbeugungsdiagramm aus dem Objektbereich des 25000fach vergrösserten obigen Bildes:


Das nächste Bild zeigt den Randbereich eines Lochs am Übergang zu aufgeschmolzenen Aluminium bei 10 000 facher Vergrösserung:


Nur im Randbereich der Löcher ist auch das aufgeschmozene Aluminium durchstrahlbar der Rest der Aluminiumfolie ist mit seinen 10 µm Dicke undurchstrahlbar.

Das während der Behandlung mit der Gasbrennerflamme offenbar kurzzeitig aufgeschmolzene Aluminum zeigt grössere kristalline Bereiche mit mehreren Mikrometer grossen einkristallinen Kristallkörnen wie eine Feinbereichs Elektronenbeugungsaufnahme zeigt (Punktdiagramm):



Den Beweis, dass das innere des Lochs aus dünnen Aluminiumoxid (im TEM Hellfeld erkennt man zwei dünne nanokristalline Lagen) besteht kann man im TEM auch mit Energiedispersiver Röntgenmikroanalyse (EDX) erbringen.
Wenn man den Elektronenstrahl auf diese Zone fokussiert werden nur hier chrakteristische Röntgenstrahlen ausgelöst und das folgende Diagramm zeigt ein Elementspektrum aus diesem Bereich das Sauerstoff und Aluminium zeigt:


der Peak ganz links ist der zeroloss Peak aus dem Detektor und die beiden peaks rechts stammen aus der Röntgenfluoreszenz am benachbarten Kupferträgernetz haben also nichts mit der Probe zu tun. Der Aluminiumpeak wird wegen der Röntgenfluoreszenz am benachbarten Aluminium etwas überhöht gegenüber dem Sauerstoff angezeigt.

Geht man mit dem fokussierten Elektronenstrahl in den Bereich von den Aluminiumkörnern am Lochrand so sinkt der Sauerstoffgehalt nahezu auf Null und man sieht im wesentlichen Aluminium mit Verunreinigungen aus Si und Fe:


Ich hoffe ich konnte andeutungsweise zeigen was für ein leistungsfähiges Instrument ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) in der Nanoanalytik ist und beantworte gerne sicher aufkommende Fragen.

viele Grüsse
Wilfried

[olaf.med]

LIeber Wilfried,

danke für die sehr interessante Untersuchung. Die transparenten rundlichen Gebilde sind also keine einkristallinen Bereiche. Damit ist das Problem der unterschiedlichen Pastelltöne aber noch nicht befriedigend geklärt, oder sieht man mit dem EDX Unterschiede in der Zusammensetzung??? Ich befürchte eher nicht.

Herzliche Grüße,

Olaf

[wilfried48]

Lieber Olaf,

ob man unterschiedliche Zusammensetzung in den verschiedenenfarbigen Löchern sieht kann ich im Moment weder bestätigen noch widerlegen.
Dazu müsste ich eine neue Probe in ein Doppelobjektträgernetz mit grosser Maschenweite präparieren um mehr Lochauswahl in den durchstrahlbaren
Bereichen zu haben und eine genaue Zuordnug zur Lichtmikroskopischen Aufnahme derselben Probenstelle zu bekommen. Und selbst dann wäre es schwierig genau quantitativ das Aluminium zu Sauerstoffverhältnis zu bestimmen, da ja durch die Röntgenfluoreszenzanregung im angrenzenden Aluminium der Aluminiumpeak unterschiedlich übehöht dargestellt wird, je nachdem wie nahe am Lochrand man sich mit dem anregenden Elektronenstrahl befindet.
Da sich durch die Absorption, den die 200 KV Elektronen in den Löchern erfahren, eine Schichtdicke von hundert bis wenige hundert Nanometern abschätzen lässt denke ich sowieso das es Interferenzfarben dünner Schichten sind, das würde ja theoretisch so etwa zur abgeschätzen Schicktdicke passen.
Wenn unser Energieverlustspektrometer am TEM zur Zeit funktionieren würde könnte man die Schichtdicke aus dem Quotienten zwischen den elastisch und den inelastisch gestreuten Elektronen lokal genau bestimmen. Aber dann würde das ganze so langsam in einer kleinen Diplomarbeit endigen und den "Rentner", der nur noch einen Tag pro Woche ins Institut zum "Spielen" geht, überfordern  
Aber für ein Elektronenmikroskopisches Kurspraktikum wäre die Probe von Heiko ein interessantes Objekt, da sie für eine TEM Probe sehr schnell herstellbar ist und von der Morphologie über die Kristallinität bis zur Nanoanalytik alle Bereiche fordert.

viele Grüsse
Wilfried