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扫描电镜的探测系统和电子探测器

 

前言

 

在sem中，信号的强度依赖于样品不同的特征。利用探测系统记录信号的变化，随后再经计算机处理由显示器同步显示出来，从而识别出样品的不同特征，于是电子探测器给我们图像和结果。了解探测器也能充分利用sem的潜力，尤其针对多探测器系统的电镜。

 

针对采集图像的电子探测器，存在鸿沟：一方面探测器性能和配置的巨大进步，另一方面是知识的匮乏和固有认知的欠缺。本文尝试稍稍弥补一下这个鸿沟，首先简介探测器和收集信号的原理，然后再对商用的探测器进行归类，最后举例说明多探测器成像的优势。

 

1 信号的探测

 

1.1 两种电子探测器原理

 

sem探测电子大致使用两种原理：一种是利用光电转换的闪烁体-光电倍增管探测器（也简称为闪烁体探测器，scintillation detectors），信号强度正比于探测到的电子数量，如etd，常用于探测二次电子；一种记录电子-空穴对数量的半导体探测器，信号强度正比于探测到的电子能量和数量，常用于探测背散射电子。

 

et探测器（everhart-thornley电子探测器，以发明者命名，简称为etd）于上世纪五十年代发明，一直使用至今，成为一代经典。它一般侧置在样品仓内的一侧，其原理见图1。前端的法拉第笼施加正电场（典型值如300 v），后方镀膜处施加了10 kv的正电场。信号电子（比如二次电子se）被正电场加速后到达闪烁体，闪烁体将电子能量转换为光子并通过光导管传送到光电倍增管，通过外光电效应转换成更多的电子，最后被信号系统记录。需要注意的是，某些et探测器的法拉第笼也可以施加负电压以排除部分低能量电子（如排除二次电子，只接收背散射电子）。et探测器性能优越，探测器量子效率高、延迟少，是最为常用的探测器。虽然在旧称谓中，et探测器也被称为二次电子探测器，但是就接收的信号而言它并不单纯。这种探测器位于样品仓内，并侧置在样品的一侧，所以本专栏通常以仓内探测器称呼，以与镜筒内的探测器对应，为了照顾称呼习惯，有时也在后边增加etd的注释，请读者注意。

 

图1 闪烁体探测器的工作原理

 

在场发射电镜的镜筒中，物镜内或镜筒内探测器跟etd的原理类似，见上图所示（图示为环形探测器，也有侧置的探测器跟etd外形接近）。它没有法拉第笼，要依赖于物镜的磁场或/和电场来收集信号，故在较近工作距离时探测效率更高。

 

与二次电子探测器相对应，也有背散射电子探测器（bse detector, bsd）的称谓，除了一些闪烁体探测器（etd设置为负偏压、使用yag单晶做闪烁体的yag探测器等），目前较常用的是形状为环形的半导体型背散射电子探测器，也称之为固态背散射电子探测器（solid-state bse detector，ssd），见图2所示：

 

图2 半导体探测器的工作原理

 

对于半导体硅，每3.6 ev的入射电子能量会产生一个电子-空穴对，那么一个15 kev的背散射电子产生4000多个电子-空穴对。ssd将检测到的电子-空穴对数量转化为电压信号，背散射电子数量多且能量高则记录到的信号强度就高。探测器表面有镀层（减弱可见光），二次电子和低能量的背散射电子不会被探测到。随ssd型号和年代的不同，其探测能量下限为0.5~5 kev（越新越低）。因此，ssd对能量较为敏感，对高能量的背散射电子探测灵敏度高，对低能量电子探测灵敏度低或无法探测，这些导致其对成分衬度较敏感。

 

离开样品后背散射电子会保持近乎笔直的轨迹，只有在探测器立体角内的背散射电子才能被接收。为了增加立体角以探测更多信号，通常把ssd做成环形并布置在样品正上方、物镜下方，中间开孔让入射电子束通过，同时也可以透过高角度背散射电子和二次电子供物镜内探测器接收。为了防碰和避免探测器之间的冲突，ssd被设计成可伸缩的探测器置于物镜正下方（以前也有固定式的asb，但是它会占用物镜下方空间，碰撞风险也大）。它可以在不需要时缩回 （为其他探测器提供空间或允许设置较短的工作距离），在需要时快速插入物镜下方。

 

相对于二次电子探测器，ssd响应速度慢（这要求较慢的扫描速度，新品进步很大，与闪烁体相比差距已经大为缩小），但是较薄且容易被分割，比如分成不同的同心环或不同区块。通过多分区设计可以独自或组合接收不同角度和区域的背散射电子信号，还能进行逻辑运算以增强或减弱形貌/成分衬度。另，扫描电镜中的stem探测器也属半导体探测器，而且分区更多，以接收各种角度的透射电子信号。

 

1.2 信号收集和探测器布置

 

探测到的前提是要收集到信号电子，或者收集到想要的信号电子，那具体如何做到呢？探测器要么守株待兔，像图3a所示那样在信号电子的运行轨迹上（比如ssd接收bse），或者如图1的et探测器那样用法拉第笼的弱电场去吸引。如图b所示，探测器还可以使用白手套，借助信号转换，让样品出来的信号电子先打到部件上激发电子，新的信号电子再被侧置的探测器接收到，这种方式也非常常见，比如et探测器接收bse转化的se3，物镜内探测器改变信号类型（如tld，upper），一些镜筒内探测器也接收bse转化的二次电子（如topper）。

 

图3 信号收集的方式

 

对于侧置物镜内探测器而言，在探测信号时还要涉及信号电子的偏转。这并非易事：附加的电场和磁场搞不好就会干扰入射束，还要兼顾信号过滤等功能。一种解决方法是巧妙布置正交的磁场和电场，如图c所示（su/regulus80/81/82x0采用）。一种解决方法是精心设置各个部位的电极，如图d所示（verios/helios采用）。

 

除了担心信号能不能过来，有时还要考虑信号过滤，即选择哪些信号，排除哪些信号。很多镜筒内探测器接收高角度信号电子，有时需要选择高能量的背散射电子而排斥低能量的信号电子（如二次电子），图4的方法较常采用。在图中，能量过滤栅会设置适当的负偏压，如果背散射电子高于此阈值则可以穿过栅网并被探测器接收，否则会被排斥。

 

图4 信号能量过滤的一种常用方式

 

很多设置参数对于信号探测都比较关键：加速电压决定了信号电子的能量和产量，束流决定了图像的信噪比，束斑决定了分辨率，工作距离决定了信号类型和探测效率，一些电极偏压决定了信号的能量范围。在信号探测过程中，除了设置参数外，还要考虑物镜的作用。

 

1.3 物镜在电子探测中的作用

 

如专栏12所见，物镜为倒圆锥结构。中间的孔让入射电子束通过，也可以筛选不同角度的电子进入。不仅如此，物镜的磁场或/和电场还能进一步影响信号电子。

 

在磁场或电场中运动电子的回旋半径与其速度有关，所以能量低的电子更容易改变初始方向而偏向光轴，而能量高的电子难以改变方向。二次电子动能低，在磁场或电场作用下更容易改变轨迹，也更容易会聚和发散；背散射电子动能大，在磁场或电场作用下偏折较弱。并且，物镜的磁场无论对入射束还是信号束都能起到会聚作用。

 

于是，对于镜筒内的探测器，物镜在信号探测中起到积极的作用，如图5所示：首先，物镜的磁场或/和电场会吸引信号电子，或者改变其轨迹，使其更易被物镜吸入；其次，信号电子的能量和方向都存在差异，在磁场或电场中的受力和轨迹会出现差异，可通过物镜的磁场或/和电场筛选特定能量和角度的电子。因而，现代物镜的磁场和电场不仅将电子束高效会聚到样品，而且也协同探测器高效收集和筛分信号。

 

图5 物镜-探测器协同探测信号的示意图

 

商用场发射电镜型号众多，信号系统复杂，但是它们的信号系统都妥善利用了电场和磁场对电子的影响，再根据信号特点进行巧妙布置，与物镜协同进行信号的接收。

 

2 商用电镜中电子探测器的分类

 

在商用电镜中依生产厂家的不同，探测器的称谓五花八门，有些基于位置、有些基于功能，有些基于信号类型。但是也有迹可循，本文根据位置进行归类，如图6所示：

 

图6 不同厂家探测器按位置进行区分

 

最高处的探测器一般为选配，位于镜筒内。镜筒内探测器通常探测高角度电子信号，比如高角度背散射电子以突出成分衬度（也有些电镜只能探测高角度、低能量二次电子），也通常搭配能量过滤栅来进行信号过滤。但是，因为它位置靠上，信号接收立体角较小，所以信号量比较低。

 

其下在物镜内设置的电子探测器则位于物镜上方或穿过物镜。物镜内探测器（in-lens，through the lens，through-lens-detector）通常接收低能量电子信号，如二次电子（se1的比例较大），适于观察高分辨的形貌衬度和电位衬度。当然这种探测器，有些也可以改变设置去接收背散射电子，以突出成分衬度及其他目的。

 

仓内探测器/etd一般设置在样品仓内，接收较大比例的低角度电子信号。因为侧置，它适用于观察立体感强的样品；因为在物镜外边，它的信号成分比较复杂。

 

背散射电子探测器/ssd位于物镜正下方，样品正上方，一般属于专用的背散射探测器，常被分割成多个区域。它不干扰入射电子的同时可以接收大立体角的信号电子，在反映元素和取向衬度上有较大优势。

 

对于薄样品，还可以使用样品下方的stem探测器接收透射电子信号。如今的stem探测器功能和性质都类似于透射电镜中的stem探测器，可以同时采集明场像、暗场像、环形暗场和高角环形暗场像。相比透射电镜中的stem探测模式，虽然性能不如，但是更为经济。

 

对这些探测器的总结和汇总见图7。

 

图7 电子探测器分类汇总

 

复杂的探测系统能够接收不同能量和角度的信号电子，拥有非凡的探测灵活性，能使人们从各个角度去了解样品的各个方面，尤其针对纳米材料和复杂体系时。

 

3 多探测器同时成像

 

样品会有各种特征，如既有形貌又有成分，激发的信号也会有各种角度和能量的信号。但是电镜图像只是建立在强度和位置对应上的灰度像，灰度变化反映何种特征，有时难免会让人存疑。在现代电镜中，以上各种探测器得到的信号以多个通道同时显示到显示器上，以便于从各个角度反映样品各个方面的特征，同时还可以任意比例混合各探测器的信息，以供人们选择和合成最想要的图像。以下为两种主流厂家的探测系统中多个探测器采集的图像，特点鲜明但是都能从各个侧面全面反映样品特征。

 

图8电镜物镜为半浸没式物镜，探测器系统类似图4d，使用exb系统来探测信号。a图演示了探测系统的原理，b图反映了陶瓷粉末（多种金属氧化物组成）的不同特征。

 

图8 多探测器同时成像案例1

 

图9电镜物镜为静电-电磁复合物镜，搭配环形的探测器（类似图4e）。针对镓上镀铂再覆碳的纳米材料，不同探测器反映了不同的特征，也反映了不同的深度信息（有些为表面信息，有些为几纳米厚度下亚表面的信息）。

 

图9 多探测器同时成像案例2

 

总之，探测器探测信号，反映样品不同的特征。对探测器的理解有助于解释图像，但是更全面的理解还要结合信号的原理和特征（专栏3，4，5）。在下期，我们将贴近图像本身，帮助读者去解读图像。

 

精彩回顾

 

专栏12：扫描电镜的眼睛

专栏11：扫描电镜高手打怪的必经之路

专栏10：如何拍出更精准的样品原貌图？

专栏9：为什么你拍的sem图像不清晰？

专栏8：扫描电镜高手进阶之路

专栏7：手把手教你操作扫描电镜

专栏6：如何拍出高清图像

专栏5：sem的信号3

专栏4：sem的信号2

专栏3：sem的信号1

专栏2：sem的工作原理

专栏1：扫描电镜概述

 

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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