Kathodolumineszenz

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Kathodolumineszenz
Methode
Englische Bezeichnung Cathodoluminescence (CL)
Was kann gemessen werden? Kristallstrukturen, Gefüge- und Mikrostrukturen die unter einem Lichtmikroskop nicht sichtbar sind
Welche Materialien können gemessen werden? Gestein, Böden, Baustoffe, Metalle, Minerale, vulkanischen Aschen, Gläser, Keramik, Zemente, ...
Zeitl. Aufwand insgesamt i.d.R. mehrere Tage, je nach Analaysemethode (REM, Kathodenlumineszenzmikroskop) Dünnschliffherstellung, Bedampfung der Probe
Aufbereitung
Generell mögliche Aufbereitungsarten? i.d.R. jegliche Proben messbar (feste Materialien, Dünnschliffe, Anschliffe)

Probe muss trocken und elektrisch leitfähig sein (Beschichtung/Bedampfung z.B. mit Gold, Plasma oder Kohlenstoff)

Aufbereitungsarten (an LMU)? polierte, nicht-abgedeckte Dünnschliffe
Erforderliche Probenmenge > 10 nm
Zeitl. Aufwand Probenaufbereitung (inkl. Reinigung) Ggf. Dünnschliffpräparation (mehrere Tage)

anschließende zwei stündige Bedampfung mit Kohlenstoff. Ggf. feste Probe reinigen und ebenfalls ca. 2 Stunden mit Kohlenstoff bedampfen.

Messprozedur
Kalibration notwendig ✔ Ja
Administrator notwendig ✔ Ja
Messung = Dienstleistung ✔ Ja
Messung selbständig möglich (nach Einweisung) ✔ Ja, bedingt
Dauer der Messung pro Probe Abhängig von der Anzahl der zu messenden Elemente
Ausgabeformat Spektrum: Photonen des Energiebereichs 0,7eV (nahes Infrarot)
bis 6eV (nahes

Ultraviolett) gesammelt und integral oder spektral aufgelöst detektiert.

Die Kathodolumineszenz (eng. Cathodoluminescence) ist eine Sonderform der klassischen Lumineszenz. In der spektroskopischen Technik findet die KL breite Anwendungsbereiche.



Grundprinzip

Bei der Kathodolumineszenzmikroskopie werden optische Mikroskope mit einer Kathodenstrahlröhre kombiniert. Alternativ kann auch ein Rasterelektronenmikroskop verwendet werden.

Valenzelektronen werden durch Anregung in das Leitungsband gehoben und fallen anschließend wieder in tiefer gelegene freie Zustände zurück. Es wird Energie in Form von Photonen frei.

Zur Anregung der Halbleiterelektronen vom Valenzband ins Leitungsband wird ein Elektronenstrahl generiert, der anschließend durch die Emission in der Kathode und Beschleunigung durch ein elektrisches Feld auf die Probe trifft und diese dazu anregt elektromagnetische Strahlung auszusenden und Licht zu emittieren. Der Elektronenstrahl verursacht also einen Quantensprung eines Elektrons. Dadurch wird das Elektron in ein höheres Niveau gehoben und durchwandert den Festkörper (zufällig).

Der Beschuss führt zu unterschiedlichen Erscheinungen (Absorption, Reflexion, Bildung von Sekundärelektronen, Röntgenstrahlung und Lumineszenzerscheinungen im UV, UV-VIS und IR Bereich.

Nach der Anregung fallen die Elektronen bereits nach ein paar Sekunden wieder in ihren Ausgangszustand zurück. Die Probe sendet ein charakteristisches Strahlenspektrum aus, da die Emission in Form von Photonen ausgestrahlt wird, wenn der Energiequant zwischen den zwei Energieniveaus einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Die Energie der Photonen entspricht genau der Energiedifferenz des Elektronenübergangs. Reicht der Energiequant nicht aus, um den Schwellenwert zu überschreiten, wird die Energie unter Wärmebildung absorbiert.

Ursachen der Kathodolumineszenz sind Fehler im Kristallgitter von Mineralen, Fremdatome und der allgemeine Chemismus von stöchiometrisch reinen Kristallen.

Spezielle Anforderungen an die Probennahme und –aufbereitung, Reinigung

  • der bei der Präparation verwendete Kleber muss hitzebeständig sein
  • glatte Oberflächen von Vorteil bei An- und Dünnschliffen
  • Probe muss so groß sein, dass ein repräsentativer Teil gemessen werden kann oder daraus ein Dünnschliff hergestellt werden kann

Probenaufbereitung

Aufbereitungsart Zeitlicher Aufwand inkl. Messprozedur Eigenleistung/Dienstleistung
Dünnschliffpräparation 14 Tage beides
Bedampfen mit Gold oder Kohlenstoff 3 Stunden beides
Politur mehrere Tage beides

Fehlerquellen

Es können sehr viele Fehler bei der Messung entstehen, wenn unsauber gearbeitet wird oder die genaue Messmethode nicht verstanden wurde. Man kann neben einer ausführlichen Literaturrecherche auch den Gerätebetreuer um Hilfe bitten um grobe Fehler zu vermeiden.Neben den Ionen können auch die Eigenschaften der Probe oder die Arbeitsbedingungen der Elektronenquelle die Farbe und Intensität der Lumineszenz verändern.

Bei der Aufbereitung

  • Kontamination der Probe
  • Auswahl einer nicht repräsentativen Probe
  • fehlende oder falsche Bedampfung (Kohlenstoff- oder Goldbedampfung); ACHTUNG: bei langer Lagerung oder hoher Beanspruchung beim Transport kann die Bedampfungsschicht Schaden nehmen
  • Chromatische Fehler durch das Bestrahlen mit dem Elektronenstrahl (Kippung in einem Neigungswinkel ungleich 90°)
  • Dünnschliff sollte parallel sein und keinen Keil darstellen, deshalb muss die Probe optimal geschliffen und poliert sein (Check im Auflichtmikroskop)
  • inkorrektes Einlegen der Probe in das REM
  • Fehler durch den Kleber; ACHTUNG: wenn der Elektronenstrahl zu lange auf die Probe gelenkt wird verdampft der Kleber und verdreckt anschließend die Säule
  • Verwendung von zu viel Leitsilber - ggf. Cu- oder C-Band verwenden

Bei der chemischen Analytik

Die Intensität hängt von bestimmten Ionen im Mineral ab:

  1. Aktivator-Ionen: Ionen mit Kristallbaufehlern oder Verunreinigungen wie z.B. Mn2+ die Emission
  2. Unterdrücker-Ionen: Die Energie des Elektronenstrahls wird durch z.B. Ti3+ absorbiert und die Lumineszenz wird schwächer

Bei der Aufbewahrung/ Transport

  • Beschädigung der Bedampfung (Verwendung eines Präparatekastens für Dünnschliffe)
  • keine Fingerabdrücke und Staub auf der Probe

Auswertung

Es gibt zwei Arten von Kathodolumineszenzmikroskopen

  • Kalte Kathode: Elektronenstrahl wird durch Gasentladungsröhre erzeugt
  • Glühkathode: Elektronenstrahl wird von einem glühenden Wolframdraht beschleunigt


Meistens werden Halbleiter, polierte Dünnschliffe und Festkörperproben anhand verschiedener Eigenschaften analysiert. Zum Beispiel:

  • Mikrostrukturen (z.B. Zonierung)
  • Lagerstättengenese
  • Messung stabiler Isotope in Fossilien
  • Charakterisierung hydrothermaler Alteration
  • Bandlücken
  • Materialkomposition
  • Quantisierte Zustände
  • Kristalldefekte
  • Dotierung
  • Spannungszustände

Vorteile

  • die Intensität des Elektronenstrahl bei der KL ist sehr hoch und präzise kontrollierbar. Dadurch können auch schwach lumineszierende Materialien zum Leuchten angeregt werden.
  • Mikrostrukturen leicht bestimmbar
  • schnelle Methode und effizient

Einsatzbereiche

Die Kathodolumineszenz ist eine einfache Methode, schnelle Ergebnisse zu erlangen. Durch die Kombinationsmöglichkeit mit einem SEM können scharf aufgelöste Bilder aufgenommen werden und die Strukturen innerhalb der Kristalle werden sichtbar. Aufgrund dieser Charakteristika findet die KL breitgefächerte Anwendung. Hier werden einige Bereiche aufgelistet:

  • Die Geologie, Mineralogie und die Materialwissenschaften verwenden KL als Zusatztool für das REM um Internstruktruren von Kristallen und Mineralen zu charakterisieren
  • Standardmethode für die Analyse der Realstruktur und Kristallchemie von Festkörpern
  • Mikrostrukturelle Charakterisierung von Gesteinen
  • Analyse von Quarzzementen (Zonarbau)
  • Analyse von Karbonatzementen (Bildungsmilieu anhand von Geisterstrukturen [Ehemalige Dolomitkomponenten oder Gitterfehler] erforschen)
  • Fossilanalyse über die Qualität von Schalen (zur anschließenden Messung stabilder Isotope)

Ausstattung an der LMU

https://www.geologie.geowissenschaften.uni-muenchen.de/einrichtungen/raster/index.html

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Analytik

Analysemethoden


Referenzen

Pavicevic M.K., Amthauer G. (2000): Mikroskopische, analytische und massenspektrometrische Methoden, „Physikalisch-chemische Untersuchungsmethoden in den Geowissenschaften“. - Stuttgart (Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung).

Reimer L. & Pfefferkorn G. (1973): Rasterelektronenmikroskopie. – Berlin-Heidelberg (Springer).

Lehrveranstaltungen an der LMU

Analytische Methoden

Autor:innen

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Dieser Artikel wurde erstellt von:
Theresa Mond