Mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) erreicht man durch Verwendung von Elektronen anstelle des Lichts eine etwa hundertfach höhere Auflösung (ca. 5 nm d.h. 0,000 000 005 m) als mit einem Licht-mikroskop. Es gibt auch noch weitere Typen von Elektronenmikroskopen, wie z.B. das Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Dieses besitzt eine noch bessere Auflösung (ca. 0,1 nm) als das REM, benötigt aber eine wesentlich aufwendigere Präparation der zu untersuchenden Proben. Mit dem REM kann man die Vergrößerung in einem sehr großen Bereich wählen (10-fach bis zu 900000-fach). Damit ist der Vergrößerungsbereich des Lichtmikroskops komplett und der des TEMs fast abgedeckt. Somit kann man sich sowohl grob auf einer Probe orientieren als sich auch feinste Details ansehen. Während elektrisch leitende Proben in Elektronenmikroskopen direkt untersucht werden können, ist es prinzipbedingt notwendig, nichtleitende Proben mit einer dünnen, leitenden Schicht auf der Oberfläche zu präparieren. Neben der reinen Beobachtung der Proben ist es auch möglich, andere Untersuchungen vorzunehmen. Dazu gehört nicht nur die Bestimmung der Materialzusammensetzung der Probe, sondern z.B. auch die Messung ihrer elektrischen Eigenschaften.
Um Bilder mit einem Elektronenmikroskop gewinnen zu können, muss man zuerst einen Elektronenstrahl erzeugen. Die dazu notwendigen Elektronen werden in einer Trioden-Elektronenkanone thermionisch emittiert. Sie besteht aus einer Kathode (Wolframdraht, LaB6, FE-Kathode), einem Wehneltzylinder und einer Anode. Z.B wird an den Wolframdraht ein Strom angelegt (Heizstrom), so dass die Elektronen thermisch in einem kleinen Bereich der Spitze emittiert werden können.
Zwischen Kathode und Anode liegt eine negative Hochspannung an (REM: typisch 1 kV bis 30 kV) und die emittierten Elektronen werden zur Anode hin beschleunigt. Die Spannung am Wehneltzylinder ist etwas stärker negativ bezüglich zur Kathode und formt die austretenden Elektronen zu einem Strahl. Dieser Strahl kreuzt, bevor er durch die Anode geht (cross-over) und definiert damit eine virtuelle Quelle, welche die Qualität des Elektronenstrahls vorgibt.
Um den Elektronenstrahl nach dem cross-over vernünftig auf die Probe abbilden zu können, benötigt man Linsen, ähnlich wie in der Optik. Es können elektrostatische und magnetische Linsen verwendet werden, die aber unterschiedlich Abbildungseigenschaften besitzen. Im Allgemeinen werden magnetische Linsen zur Fokussierung des Elektronenstrahls auf die Probenoberfläche verwendet (beachten sie, dass die Elektronen auf einer Spiralbahn durch die Linse fliegen). Man braucht eine Ablenkeinheit, um den Strahl in x- und y-Richtung ablenken zu können. Diese Ablenkeinheit ist mit einem Rastergenerator verbunden, so dass der Bildaufbau bei der Bildröhre mit der gleichen Ablenkfrequenz vonstatten geht wie die Abrasterung der Probe (siehe nebenstehende Abbildung).
Die Wechselwirkung der Elektronen mit der Probe führt zur Erzeugung unterschiedlicher Sekundäremissionen, die als Signale erfasst und verarbeitet werden können. Abb.4 zeigt schematisch diese Emissionen, die aus unterschiedlichen Wechselwirkungsvolumen kommen und unterschiedliche Energien besitzen. Das bei uns vorhandene REM detektiert hauptsächlich Sekundärelektronen und in Richtung Detektor rückgestreute Elektronen. Erläuterungen zu den anderen Sekundäremissionen finden sie in den angebenen Quellen.
Die Eindringtiefe der Elektronen in das Substrat hängt von der Energie der Elektronen und von der Zusammensetzung des Substrates (Ordnungszahl Z) ab. Wie in Abb.5 a dargestellt, zeigt sich hier am Beispiel einer Simulation für Aluminium (kleines Z) und Gold (großes Z), dass mit Erhöhung der Beschleunigungsspannung das Wechselwirkungsvolumen stark zunimmt (man beachte den Maßstab in den einzelnen Abbildungen). Ebenso sieht man klar, dass mit zunehmenden Z das Wechselwirkungsvolumen stark verkleinert wird. Hieraus läßt sich begründen, warum z.B. biologische Proben mit Gold bedampft werden bevor sie abgebildet werden können.
