Anwendung und Einsatzbereiche

Um strukturelle Informationen biologischer Proben auf der Mikro- und Nanoskala zu verstehen, reicht die Auflösung konventioneller Lichtmikroskope und Röntgentomographie-Systeme nicht aus. Mit JEOL-Elektronenmikroskopen können kleinste biologische Strukturen wie Viren, aber auch mikroskalige Objekte wie Synapsen oder Zellen, abgebildet und dreidimensional rekonstruiert werden.

Rekonstruktion eines Bakteriophagen (links) und Synapsen (rechts)

Bildquelle: Journal of Structural Biology 177 (2012) 589–601 bzw. JEOL News 51

Für die hochaufgelöste Abbildung und Analytik biologischer Proben ist es oftmals notwendig, die Probe im nativen Zustand zu untersuchen. Dank des patentierten JEOL Aqua Covers können selbst feuchte oder hydratisierte Proben in einem Rasterelektronenmikroskop bei niedrigem Druck abgebildet werden.

Abbildung eines Wassertropfens auf einer Rosenblatt-Oberfläche

Bildquelle: JEOL Ltd. (Präsentation Aqua Cover)

Im Laufe der Evolution haben Lebewesen vielfältige mikroskopische Oberflächenstrukturen entwickelt um sich beispielsweise wie ein Gecko an glatten Oberflächen oder ein Wasserläufer auf Wasser fortzubewegen. Zur detailgetreuen Charakterisierung dieser Strukturen bietet JEOL vollständig integrierte Lösungen für die artefaktfreie Präparation und höchstauflösende Abbildung an.

REM-Abbildung des Oberschenkels eines Gliederfüßers.

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Applikationsarbeit für TUM Weihenstephan, Fachbereich Zoologie

Moderne Lackierungen sind in der Regel als Mehrschichtsystem ausgeführt. Bei makroskopisch sichtbaren Lackfehlern ist es von großer Bedeutung, die Schicht zu ermitteln, in der die Ursache des Fehlers liegt. Unsere Systeme erlauben auf einfache Weise den Querschnitt der Lackschichten zu untersuchen.

Querschnitt einer lackierten Metalloberfläche. Durchmesser des Einschlusses ca. 10µm.

Bildquelle: JEOL Ltd. / Broschüre CP

Papier als Massenprodukt kann kostengünstig produziert werden, wenn das Verhältnis von Fasern und Füllstoffen optimiert wird ohne die mechanischen und drucktechnischen Eigenschaften zu verändern. Hierzu ist es entscheidend, während der Papierentwicklung wie auch produktionsbegleitend, die Verteilung von Faser- und Füllstoff im Papier zu untersuchen. Die äußerst robusten Analytiksysteme von JEOL können im anspruchsvollen Routinebetrieb zur artefaktfreien Präparation wie auch zur präzisen morphologischen und chemischen Charakterisierung von Zellstoffen eingesetzt werden.

Planschnitt durch ein Blatt Papier

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Schleifmittel enthalten Partikel aus sehr harten, keramischen Körnern. Die mechanische Freilegung des Materialgefüges zur Evaluation der Korn- und Porenverteilung ist daher sehr anspruchsvoll. JEOL Systeme ermöglichen die einfache und artefaktfreie Herstellung zur Untersuchung großflächiger Querschnitte.

Querschnitt durch einen Schleifwerkstoff mit Körnern aus Bornitrid

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH,  Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH, Material freigegben

Anorganische Grundmaterialien stellen die Basis für eine Vielzahl von wichtigen industriellen Zwischen- und Endprodukten dar (z.B. Kunststoffe, Farbmittel, Düngemittel). Diese Ausgangsmaterialien müssen dabei bereits gewisse Gütekriterien erfüllen. Die leistungsfähigen Systeme von JEOL ermöglichen es derartige Chemikalien strukturell zu charakterisieren und damit eindeutige Aussagen über deren Zusammensetzung und Reinheit zu treffen.

²⁷Al Festkörper-NMR-Spektrum einer anorganischen Verbindung mit oktaedrisch (rechts) und tetraedrisch (links) koordinierten Aluminiumspezies

Bildquelle: JEOL Ltd. / Broschüre Solid State NMR, Seite 2 (Textteile gelöscht)

Asbest wurde über Jahrzehnte hinweg als feuer- und temperaturfester Werk- und Dämmstoff eingesetzt. Nach der Entdeckung der gesundheitlichen Gefahren werden potentiell asbesthaltige Baustoffe in vielen Labors untersucht. Als einziger Hersteller bietet JEOL die hochleistungsfähige Kombination eigener Elektronenmikroskope und eigener Spektrometer als Komplettlösung für die normgerechte Asbestanalytik an.

Identifizierung einer Chrysotil-Faser mittels REM-Abbildung und EDX-Spektrum

Bildquelle: JED-Broschüre

Integrierte Schaltungen und Bauteile der Elektronikindustrie müssen durch Drähte kontaktiert werden. Das Versagen dieses Interfaces ist eine der häufigsten Ausfallursachen für diese Bauteile. Zur Charakterisierung der Qualität dieses Interfaces ist eine zielgenaue Querschnittspräparation ohne jede thermo-mechanische Belastung des Drahtes notwendig. Die von JEOL hergestellten Systeme erlauben eine schnelle, einfache und artefaktfreie sowie zielgenaue Präparation und detaillierte Charakterisierung dieser Grenzfläche.

Querschnitt durch den Bond-Pad einer Leuchtdiode.

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Die Oberfläche von Lotusblättern kann als Modellsystem für selbstreinigende Oberflächen dienen. Die genaue Charakterisierung dieser Oberflächen ist essentiell um sie nachbauen zu können. Die Oberfläche von Lotusblättern besteht aus kleinen Wachsröhren, die während der Untersuchung mittels Elektronenstrahl leicht zerstört werden können. Hierzu offeriert JEOL maßgeschneiderte Lösungen mit welchen die Proben kontrolliert thermisch stabilisiert werden und somit eine Zerstörung durch die Beobachtung ausgeschlossen werden kann.

Oberfläche einen Lotusblattes. Der Durchmesser der Wachsröhren beträgt ca 50 nm

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Zur hochaufgelösten Abbildung und Analytik biologischer Proben in einem Elektronenmikroskop müssen gesonderte Präparationsmethoden angewandt werden. Gerade Nahrungsmittel bzw. deren Komponenten lassen sich nur durch aktive Kühlung artefaktfrei darstellen. JEOL Elektronenmikroskope sind daher serienmäßig für die Installation von Kryo-Systemen vorbereitet, sodass empfindliche Proben extern präpariert, gekühlt transferiert und schließlich im Kryo-Betrieb untersucht werden können.

Elektronenmikroskopische Abbildung von Milchpulver

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, DIL Quakenbrück

Um die mechanischen Eigenschaften eines metallischen Gefüges zu definieren, wird das Bilden von Ausscheidungen gezielt eingesetzt. In Form von Verunreinigungen können diese jedoch auch unerwünscht sein. Um die Qualität einer Legierung beurteilen zu können, müssen die Morphologie sowie die chemische Zusammensetzung der Ausscheidungen bestimmt werden. Zu diesem Zweck bietet JEOL allumfassende Komplettlösungen, von der artefaktfreien Probenpräparation bis zur hochaufgelösten Analyse von der µm bis nm Ebene an.

Elementverteilungsbild einer Messinglegierung

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Li-Batterien werden unter anderem in Mobiltelefonen oder Kraftfahrzeugen verwendet. Der Nachweis in einem Mikroskop ist dank des neu entwickelten Leichtelementspektrometers von JEOL erstmals routine- und serienmäßig mit hoher räumlicher Auflösung und Nachweisempfindlichkeit möglich.

Identifizierung von Lithium in einer Li-Ionen-Batterie

Bildquelle: JEOL Ltd., SXES-Broschüre

Metallpulver werden unter anderem bei der Herstellung von Metallkeramiken verwendet. Hierbei spielen die Dichte und der Aufbau des Pulvers eine tragende Rolle. Mit JEOL Mikroskopen ist es möglich, Struktur und Materialzusammensetzungen bis ins Detail darzustellen. Hierfür bietet JEOL eine etablierte und leistungsfähige Komplettlösung zur einfachen, artefaktfreien Präparation und höchstauflösenden Abbildung und Analytik.

REM- Abbildung eines metallischen Pulvers

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Moderne Lackierungen sind in der Regel Mehrschichtsysteme. Bei makroskopisch sichtbaren Lackfehlern ist es von großer Bedeutung, jene Schicht zu ermitteln, in welcher die Ursache des Fehlers liegt. Die Präparationssysteme von JEOL ermöglichen die einfache und reproduzierbare Herstellung von artefaktfreien Querschnitten.

Querschnitt einer lackierten Metalloberfläche. Durchmesser des Einschlusses ca. 10µm

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre CP

Fasern werden in vielen Industriezweigen eingesetzt, bspw. in der Textilverarbeitung oder als Konstruktionswerkstoff im Maschinenbau. Ihre strukturellen Eigenschaften lassen sich beispielsweise anhand eines Faserquerschnittes studieren. Hierfür bietet JEOL eine etablierte und leistungsfähige Komplettlösung zur einfachen, artefaktfreien Präparation und höchstauflösenden Abbildung und Analytik.

REM-Abbildung eines Querschnitts durch ein Faserbündel

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre Ion Slicer

Im Betrieb werden Werkstoffe häufig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, welche die Mikrostruktur oder chemische Zusammensetzung des Werkstoffs verändern. Um diese Veränderung im Rasterelektronenmikroskop untersuchen zu können, stattet JEOL seine EDX-Detektoren mit der Möglichkeit aus, die zeitliche Veränderung aufzuzeichnen. So kann bspw. das Kornwachstum sowie die chemische Entmischung durch einen externen Wärmeeintrag in-situ beobachtet werden.

Thermisch induzierte Veränderung von Lötzinn (Pb Sn)

Bildquelle: JEOL Ltd.

Die Verknüpfung von lichtmikroskopischen Signalen und elektronenoptischen Details erlaubt unter anderem Rückschlüsse auf die genaue Lokalisation von Proteinen in bestimmten Teilen von Geweben. Zur Kombination zwischen Fluoreszenz-  und höchstauflösender Elektronenmikroskopie stellt JEOL intuitive, systemübergreifende Komplettlösungen her.

Dünnschnitt eines Zebrafisches: Korrelativ überlagerte elektronen- und fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Zentrum für regenerative Therapien, TU Dresden.

Mineralien sind häufig als komplexe Strukturen aus einer Vielzahl von Elementen aufgebaut. Zur ortsaufgelösten Visualisierung der chemischen Zusammensetzung stellen Elementverteilungsbilder eine der wichtigsten Methoden dar. Mit Hilfe dieser Verteilungsbilder werden essentielle Informationen wie z.B. die Entstehung und die Struktur der zu untersuchenden Probe gewonnen. Für diese Aufgabe liefert JEOL die stabilsten sowie energetisch und räumlich höchstauflösenden Spektroskopie-Systeme.

Elementverteilungsbilder eines Symplektit-Schliffes

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Demoreport Uni. Wien (JXA)

Neuartige Werkstoffe werden immer häufiger hinsichtlich Ihres Einsatzgebietes maßgeschneidert hergestellt. Diese zielgerichteten Modifikationen erstrecken sich häufig bis zur Nanoskala. Die Charakterisierung  solch empfindlicher Oberflächen erfordert höchste Ansprüche an das bildgebende Instrument. Die hochauflösenden Rasterelektronenmikroskope von JEOL lassen sich routinemäßig in diesem Grenzbereich betreiben.

Oberflächenabbildung einer Zeolithverbindung

Bildquelle: JEOL Ltd.

Die Farben eines Schmetterlingsflügels entstehen durch Pigment- oder Strukturfarben. Die Präparation eines Querschnittes durch die feingliedrige Flügeloberfläche ist mechanisch unmöglich. Mit den JEOL Präparationssystemen und Rasterelektronenmikroskopen können selbst fragile, organische Strukturen zugänglich und sichtbar gemacht werden.

Abbildung eines Querschnittes durch einen Schmetterlingsflügel (Morpho)

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre Cross Section Polisher

Viele Materialsysteme werden heutzutage funktionalisiert. Maßgeschneiderte Eigenschaften wie z.B. Abriebfestigkeit, Farbe oder chemische Widerstandsfähigkeit werden durch Ausbildung von Mehrschichtsystemen auf Substraten erreicht. Die von JEOL hergestellten Systeme erlauben es auf einfache Weise diese Schichtsysteme zu Untersuchen. Hierbei bietet JEOL Komplettlösungen von der artefaktfreie Präparation bis hin zur automatisierten und reproduzierbaren Extraktion relevanter Parameter wie Schichtdicke oder -rauheit.

Schichtsystem auf metallischem Substrat

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Fotolithographie ist eine essentielle Methode in der Halbleiter- und Mikroelektrotechnik, etwa zur Herstellung integrierter Schaltungen mit hohem Durchsatz. Elektronenoptische Systeme von JEOL ermöglichen eine schnelle und zuverlässige Qualitätskontrolle als auch der Optimierung bzw. Entwicklung von neuen Verfahren in der Halbleitertechnik.

Fotolithographisch strukturierte Siliziumwafer

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Max-Planck-Institut für Halbleiterforschung, München.

Für funktionalisierte Hochleistungswerkstoffe wird die Notwendigkeit Mehrschichtsysteme kontrolliert auf ein Substrat aufbringen zu können stetig wichtiger. Besonders im Zusammenhang mit Schutzschichten auf metallischen Substraten leisten diese Systeme einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Langlebigkeit von stark beanspruchen Komponenten. Um die chemische Zusammensetzung sowie die mikrostrukturellen Eigenschaften abbilden zu können, hat JEOL Instrumente entwickelt, die es ermöglichen, Mehrschichtkomponenten präparieren und mit einer noch nie dagewesenen Detailtiefe abbilden zu können.

Farbschichten auf einem Al-Substrat

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Moderne metallische Werkstoffe sind häufig aus unterschiedlichen Komponenten komplex zusammengesetzte Systeme. Die räumliche Orientierung der einzelnen Kristalle (Textur) sowie die chemische Zusammensetzung sind wichtige Komponenten hinsichtlich der resultierenden mechanischen Eigenschaften. Um sowohl die Textur als auch die chemische Zusammensetzung parallel erfassen zu können bietet JEOL leistungsfähige Komplettlösungen von der artefaktfreien Probenpräparation bis hin zur vollständigen dreidimensionalen Rekonstruktion an. Somit können beide Analysetechniken direkt miteinander verglichen werden.

Multilagen Schaltkreis auf keramischem Substrat (Al2O3, Mo, W)

Bildquelle: JEOL Ltd.

In der industriellen Qualitätskontrolle ist die einfache und schnelle Charakterisierung eines Werkstückes von höchster Bedeutung. Für diesen Zweck kommen Rasterelektronenmikroskope dank ihrer hohen Auflösung, leistungsfähiger Elementanalytik und vor allem, dank ihrer einzigartigen Tiefenschärfe vermehrt zum Einsatz. Sämtliche Systeme von JEOL verfügen über eine spezielle Optik, welche für eine verzerrungsfreie, tiefenscharfe Abbildung makroskopischer Bauteile sorgt.

Elektronenmikroskopische Abbildung einer 33mm langen Schraube

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH