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Einblicke im Nanometerbereich: Neues Rasterelektronenmikroskop für Werkstoffwissenschaft und Werkstoffprüfung

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Einblicke im Nanometerbereich: Neues Rasterelektronenmikroskop für Werkstoffwissenschaft und Werkstoffprüfung

Vorbereitung einer Probe im in-situ Zug-Druck-Modul des FE-REM. Die Prüfvorrichtung wird in die Probenkammer eingesetzt, um das Verhalten von Proben unter Belastung zu untersuchen. © WH/Michael Völkel

Faszinierende Einblicke in Strukturen bis in den Nanometerbereich bietet das neue Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-REM), das im Bereich Werkstoffwissenschaft und Werkstoffprüfung der Westfälischen Hochschule in Betrieb gegangen ist. Damit eröffnen sich für Studierende, Lehrende und Forschende neue Perspektiven in der Materialanalyse, unter anderem sowohl im Rahmen von Forschungsprojekten im Bereich der Werkstoffcharakterisierung als auch im Bereich der Wasserstoffenergiesysteme.

Nach vielen Monaten der Planung und notwendigen Umbauarbeiten ist seit dem Frühjahr des vergangenen Jahres das „Zeiss Gemini Sigma 300 VP“ am Gelsenkirchener Fachbereich Maschinenbau, Umwelt- und Gebäudetechnik in Betrieb. Mit einer bis zu 500.000-fachen Vergrößerung liefert es Abbildungen von Oberflächenstrukturen sowie von Schäden an Werkstoffen und Werkzeugen. Auch eine chemische Analyse der Material-Zusammensetzung ohne Beschädigung der Probe sowie die Analyse von Nanopartikeln ist mit dem FE-REM möglich. Charakteristisch für die durch ein FE-REM gewonnenen Aufnahmen ist die sehr hohe Tiefenschärfe.

Im Gegensatz zu einem klassischen Lichtmikroskop arbeitet das FE-REM nicht mit Licht, sondern mit einem Elektronenstrahl. Die zu untersuchende Probe, die sich während der Untersuchung im Vakuum befindet, wird Punkt für Punkt mit Hilfe des Elektronenstrahls abgerastert. Trifft der Elektronenstrahl dabei auf die Probe, werden verschiedene Signalarten (u.a. Sekundärelektronen, Rückstreuelektronen und Röntgenstrahlen) in der Probe erzeugt und von dieser emittiert. Die erzeugten Signalarten werden mittels spezieller Detektoren eingefangen und ausgewertet. Diese Auswertung wiederum ermöglicht u.a. die Bildschirmdarstellung der Probenoberfläche.

In der Lehre kommt das FE-REM im Rahmen verschiedener Praktika für die Bachelor- und Masterausbildung sowie beim Anfertigen von Abschlussarbeiten zum Einsatz. „Wir vermitteln den Studierenden hierbei unter anderem die Grundlagen der Rasterelektronenmikroskopie sowie den Nutzen der analytischen und in-situ-Untersuchungen“, erläutert Prof. Dr. Deniz Kurumlu aus dem Bereich Werkstoffwissenschaft und Werkstoffprüfung. Die Untersuchungen an Werkstoffen in verschiedenen Zuständen sollen die Wechselwirkungen zwischen der Mikrostruktur, der Herstellung und den Eigenschaften des Materials verdeutlichen. Darüber hinaus werden Analysen verschlissener, korrodierter und/oder beschädigter Werkzeuge oder Bauteile unter anderem dazu genutzt, den Studierenden beispielsweise Verschleiß- und Korrosionseffekte als auch Schädigungsmechanismen näherzubringen.

Zwei Mitarbeiter des Werkstofflabors sitzen an einem Tisch mit Bildschirmen neben dem Rasterelektronenmikroskop. Auf den Bildschirmen ist eine stark vergrößerte Materialprobe zu sehen.
Blick in die Mikroskopie des Bereichs Werkstoffwissenschaft und Werkstoffprüfung mit dem FE-REM und den zugehörigen Steuerungselementen. Die periphere Technik zum Betrieb des Mikroskops wie z. B. zur Lüftung des Raums, der Kühlung des Mikroskops und zur Erzeugung des Vakuums innerhalb der Probenkammer nimmt deutlich mehr Raum ein als der dargestellte Bereich und erforderte vor der Inbetriebnahme umfangreiche Umbauten. © WH/Michael Völkel

Auch für die Forschung auf dem Gebiet Werkstoffe und Fertigungsverfahren setzen die Forscherinnen und Forscher der WH auf die Bildgebung des FE-REM. Hierbei bieten insbesondere die Elementanalyse mittels EDX (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) und EBSD-Untersuchungen (Elektronenrückstreubeugung) für die kristallographische Analyse detaillierte Einsichten ins Mikrogefüge des Probenmaterials. Des Weiteren ermöglicht eine Kombination aus EDX-Untersuchungen und topografischen elektronenoptischen Aufnahmen die Analyse von Bruchflächen. Das Gerät wird auch vom Westfälischen Energieinstitut im Rahmen von Abschlussarbeiten und drittmittelfinanzierten Projekten zur Untersuchung von Komponenten oder von verschiedenen metallischen Abscheidungen auf porösen Substraten, welche als Elektroden für Elektrolyseure oder Brennstoffzellen fungieren, eingesetzt.

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