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sem的信号2，信号的区分和联系

前言

前文介绍了背散射电子和二次电子等信号，有助于我们解读sem图片中的信息。但是还有许多未解之谜：为什么场发射电镜有那么多不同位置的探测器，不同测试条件的图像为什么又不同。这需要我们对信号有更深入的认识。

本栏主要介绍背散射电子和二次电子更细化的分类，信号作用的范围，以及更全面地总结各信号的机理和特点，文末有精彩案例。

1 以能量区分信号电子

若入射电子垂直入射到匀质样品上并将信号电子全数收集，那么以电子的能量为横坐标，电子数量为纵坐标，得到如图1a所示的能量谱图。由之前的内容可知：小于50 ev的是二次电子，大于50 ev而接近入射电子能量e0的为背散射电子。大部分二次电子的能量集中在几个电子伏特的“峰”值处，而且它们来自于很浅（约10 nm）的表层，如图b。对于背散射电子，能量比二次电子高且能量范围更宽（50 ev~e₀），逃逸深度比二次电子更深，并且还可以进一步进行细分。

图1 信号电子的能量分布和逃逸深度

2 背散射电子的细分

随着入射电子在样品中的行进，入射电子与样品的弹性散射和非弹性散射作用伴随着角度变化和能量损失，同时作用范围也在逐渐扩大。从概率上说，入射电子与样品相互作用的次数越多，非弹性散射的可能更大、次数更多，进入样品的深度和宽度越大，损失的能量就越大，变成背散射电子后能量就越低。

上篇提及，很多背散射电子经历多次散射和能量损失过程，造成它们分布在较宽的能量范围，从较深处逃逸，这是大部分背散射电子所经历的过程，如图2a所示。

图2 两种背散射电子的形成机理

在图1a右侧有一个峰，峰值接近入射电子能量e₀，这部分背散射电子损失能量较少。像图2b所示那样，入射电子经历一次或比较少次数的作用就被背散射，这些背散射电子大部分入射的深度较浅，能量损失小，对应峰值处的能量。这些电子被称为低能量损失背散射电子（low-loss bse，本文简称llbse，有些文献中根据不同的释意会缩写为lle或者bse₁）。

大部分llbse只来源于电子束与样品表面作用的很小区域，能量高，但比例小。如果把这部分信号筛分出来可以反映作用区局部的信息，是潜在的高空间分辨率信号；同时它属于背散射电子，也反映原子序数信息，而且强于普通的背散射电子；取向衬度和ebsd菊池花样的背散射电子，也主要来自于这部分电子；因为能量高，荷电对它的干扰小于低能量电子。毋庸置疑，llbse是非常有用的信号电子。

我们通常所说的背散射电子包括llbse，但是llbse占的比例较少，以往筛分llbse信号存在较大困难。所以在信号探测上，不做特别说明，一般谈及信号作用区和探测时，背散射电子的特征都是指普通背散射电子的特征。随着扫描电镜技术的发展，如今的场发射电镜（比如配备了esb、icd或topper等探测器），可以过滤出llbse。当涉及高分辨成像、关心表面成分并强调成分信息时，会使用llbse信号，这时要注意它与普通背散射电子的不同。

在探测时，不仅会根据能量区分背散射电子，还会根据其发射的角度来进行区分，比如分为高起飞角背散射电子和低起飞角度背散射电子。llbse分布在很宽的角度范围，对于物镜内探测器，从高起飞角背散射电子中抑制低能量成分，过滤出llbse是一种捷径。不同的起飞角对样品形貌、成分和取向特征有不同的反映，后续专栏会再次提及。

高能量的入射电子会激发出二次电子，那么高能量的背散射电子呢？

3 二次电子的细分

自然，当背散射电子离开样品的表面时（它还尚有较多动能），也可以激发出二次电子。于是如图3所示，二次电子按产生机理和区域可以继续进行细分：入射电子进入样品表层时直接激发的se₁，背散射电子离开表面时激发的se₂和离开后与电镜部件作用产生的se₃。

图3 三种二次电子的形成机理

se₁产生的范围接近入射束，所以是潜在的高分辨信号。se₂和se₃实质上是背散射电子产生的，部分反映了背散射电子的信号特点。se₃是背散射电子在远离样品时与电镜的部件产生的，所以使用物镜内探测器可以消除这种信号。

二次电子的这种细分可以解释很多现象：在有些情形下，场发射电镜中布置于样品仓中的探测器（比如etd，se₂，lower）收集的图像不仅能反映形貌信息还能反映成分信息，在非常高倍率时分辨率不那么好，那是因为这种探测器会同时接受se₁、se₂和se₃；而布置于镜筒内的探测器（tld、upper或inlens）收集的图像较少有成分信息，在非常高倍率时分辨率比前者好，因为它几乎没有se₃。当然探测器、设置参数、样品特性跟图像的关系都很大，不仅于此。而且，后续篇还会就信号电子的角度分布及其与图像特征的关系会进行进一步的阐述。

背散射电子和二次电子间的区别与联系使得信号接收和图像解释变得复杂。在实践中，样品的成分、形貌、结构和表面状态，设置参数如加速电压、倾斜角度等，以及探测器的位置和参数，都会影响背散射电子和二次电子信号的产生和接收。并不能简单地认为二次电子单纯反映表面和局域的信息。简单视背散射电子为单纯的弹性散射产生，或者视背散射电子为低分辨信号的两种极端做法也值得商榷。

4 信号的作用区和逸出区

宏观上一石激起千层浪，微观上电子束与样品的相互作用也会起波澜。高能的入射电子进入样品，不断发生弹性散射和非弹性散射。直至丧失全部能量或者离开样品，电子束的运行轨迹和能量释放会分散在样品内一定范围内。一般考虑从电子束入射到损失95%能量的区域，这个三维区域一般被称为作用区（interaction volume）。背散射电子和二次电子作为最主要的成像信号，会在样品一定的范围内产生，这个范围会影响到图像的分辨率，所以要考量其能够逃逸出样品并被探测到的范围（逸出区，也被称为信息区）或深度（逸出深度）。

首先考虑电子束与样品相互作用后作用区的大小。把作用区等效成以束斑为中心的一个半圆，其半径被称为电子射程（electron range）r_k-o：

其中a为原子摩尔质量（单位g/mole)，z为原子序数，e₀为电子束能量(单位是kev)，ρ为样品密度（单位g/cm^-3）。这说明密度、原子序数和入射电子能量都会影响电子射程和作用区大小

当然文献中也喜欢蒙特卡洛模拟的方法。图4为不同电子束能量分别与轻重元素相互作用的情况。由图可见，对于体材料：对于同一材料，电子束能量越大，作用区也越大，这说明电子束能量大可以采集更深处的信息，但容易使扫描时相邻信号干扰，对图像分辨率不利，电子束能量低则相反；并且电子束能量相同，轻元素的作用区显著大于重元素。对于薄样品：电子束能量高则容易穿透样品，尤其是在原子序数小的时候，这就是为什么透射电镜使用较高加速电压以实现高分辨率的道理，sem中的stem、tkd（transmission kikuchi diffraction）亦如此。

图4 不同能量电子束分别与轻重元素的作用区

接下来考虑各种信号的逸出区和逃逸深度。对于背散射电子，图4表明背散射电子的逸出深度约为电子射程的一半。图5比较了各种信号的逸出区和逸出深度。

图5 信号的逸出区和逸出深度

比较图5中各种信号的逸出区，在深度分布和侧向分布方向上，从小到大依次是二次电子se₁、背散射电子、特征x-射线和荧光x射线。其中se₁的逸出区深度一般小于10 nm，非常靠近表层，接近入射电子束的初始位置。背散射电子和特征x射线侧向和深度范围大约为几百纳米到微米级（随加速电压和元素变化，低加速电压下会小于此范围）。se₂由背散射电子在表层处产生，它的逃逸深度同se₁，但是在表层的侧向分布上基本同背散射电子。同样，背散射电子中的llbse，主要产生在表层，逸出区接近se₁。

x射线光子、背散射电子及来自背散射电子激发的se_2,3(se₂ 和se₃)，在深度和侧向方向上，远离入射束的初始位置。此时作用点的信息已经不局限于局域的信息，已经部分地反映了周围区域的信息，这种偏离也被称为离位效应（delocalization）。相反，se₁和llbse横向作用区基本等同于束斑范围，可被视为高空间分辨信号。

信号的逸出区和逃逸深度对成像和显微分析具有很强的指导意义。较高的加速电压从电子光学考虑有利于高分辨成像，但会带来较大的作用区和逃逸深度。这有利于探测更深处的信息，但是不利于表面细节的呈现。在高分辨成像时要提高信号中se₁或llbse的比例，或采用其他措施保障成像质量。如果关注表面信息，可以使用低加速电压，得到小的作用区和逃逸深度。对于能谱技术同样如此，高电压可以激发更多的线系，但在获取面分布图时低电压条件空间分辨率更高。这些内容后续专栏都会涉及，敬请期待。

总结以上几种信号的机理和特征，详见表1。

表1 不同信号细化的来源、特征与应用

5 其他信号或副作用

入射电子和背散射电子具有较高的能量，与样品相互作用，会激发出稍低能量的信号：除了用于分析的各种信号电子（如二次电子和俄歇电子）、用于元素分析的x射线，还会产生电流（如样品电流和电子束感生电流ebic），会激发光（比如阴极荧光）。

除产生热量外，相互作用还会带来荷电、电子束损伤、电子束致沉积（积碳）等副效应，恶化了图像质量。

6 不同探测器，不同信号成像的案例

为了全面获知样品微观特征，电镜中不同的探测器/参数会收集不同类型的信号，比如伸入物镜下方的背散射电子探测器（bsd）会接收bse，物镜内的探测器以se₁和se₂为主，镜筒内探测器也可以接收llbse。以下为美信检测分析案例。

图6为金属镀层截面，树脂镶嵌后离子束研磨制取。bsd探测器可以清晰地看得元素不同的各层，顺便也可以看得不同铜晶粒的取向。物镜内探测器对边缘和表面信息非常敏感。仓内探测器反映的样品特征则类似以上两种探测器图像的混合，因为它接收bse和se₁、se₂和se₃信号，如示意图所示。信号类型-探测器-样品特征的关系其实非常复杂，本篇点到为止，以后会深入论述。

图6 不同探测器、不同信号对金属镀膜截面成像

图7为燃料电池的铂催化剂颗粒，附着于碳材料上。在较高的放大倍率下，仓内探测器接收到的bse、se₃等信号使得分辨率下降，对颗粒细节和边缘的展现不如物镜内的探测器，后者以se₁ 和se₂信号为主。

图7 不同探测器对铂催化剂颗粒的高倍成像

图8为纳米马达空腔（镓）内表外表面贵金属纳米颗粒的图像。在加速电压为20 kv时，使用bsd探测器可以探知空腔内表面的纳米颗粒。这些背散射电子来自上百纳米范围，反映了原子序数上的差别。在加速电压为2 kv时，使用物镜内探测器可以探知外表面，这些二次电子来自几纳米范围。

图8 不同信号反映不同深度信息

图9为镜筒内探测器通过改变偏压接收不同信号的示例，样品为氢氧化镍，加速电压为2 kv。将偏压设置为0，则接收信号的能量范围为0~2 kv。样品不导电，一些能量较低的信号被荷电场所干扰，导致图像上反常亮和暗的区域。将偏压设置为1.5 kv，则接收信号的能量范围约为1.5~2 kv，过滤掉了低能量、易受干扰的信号，从而得到清晰的图像。

图9 不同能量范围信号对成像的影响

参考文献

(1) 施明哲. 扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术[m]. 电子工业出版社, 2015.

(2) 张大同. 扫描电镜与能谱仪分析技术[m]. 华南理工大学出版社, 2009.

(3) 高尚，杨振英，马清，等. 扫描电镜与显微分析的原理、技术及进展[m]. 广州: 华南理工大学出版社，2021.

(4) reimer l. scanning electron microscopy — physics of image formation and microanalysis, 2nd [m]. springer, 1998.

(5) goldstein j, newbury, d e, et al. scanning electron microscopy and x-ray microanalysis, 3rd[m]. springer, 2003.

(6) goldstein j, newbury, d e, et al. scanning electron microscopy and x-ray microanalysis, 4th[m]. springer, 2018.

(7) ul-hamid, a. a beginners' guide to scanning electron microscopy[m]. springer, 2018.

(8) suga m, asahina s, sakuda y, et al. recent progress in scanning electron microscopy for the characterization of fine structural details of nano materials[j]. progress in solid state chemistry, 2014, 42(1): 1-21.

(9) xing q. information or resolution: which is required from an sem to study bulk inorganic materials?[j]. scanning, 2016, 38(6): 864-879.

(10) liu zheng, fujita nobuhisa, miyasaka keiichi,et al. a review of fine structures of nanoporous materials as evidenced by microscopic methods[j]. microscopy, 2013(1):109-146

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