Kathodolumineszenz

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 Kathodolumineszenz 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 kurzer Zeit 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 sind 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 Rasterelektronenmikroskop
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 Graphit-Band verwenden

Bei der chemischen Analytik

Die Intensität hängt von bestimmten Ionen im Mineral ab:

Aktivator-Ionen: Ionen mit Kristallbaufehlern oder Verunreinigungen wie z.B. Mn²⁺ die Emission
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 Rasterelektronenmikroskop können scharf aufgelöste Bilder aufgenommen werden und die Strukturen innerhalb der Kristalle werden sichtbar. Aufgrund dieser Charakteristika findet die Kathodolumineszenz breitgefächerte Anwendung. Hier werden einige Bereiche aufgelistet:

Die Geologie, Mineralogie und die Materialwissenschaften verwenden Kathodolumineszenz als Zusatztool für das Rasterelektronenmikroskop um Internstrukturen 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

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Theresa Mond

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