電鏡學(xué)堂 | 掃描電子顯微鏡的基本原理（一）

第二節(jié)   電子與試樣的相互作用

§1. 概述

　　電子槍產(chǎn)生的高能電子束轟擊試樣表面時，入射電子與試樣的原子核和核外電子產(chǎn)生彈性散射和非彈性散射作用。彈性散射是碰撞體系中電子能量和動量守恒的散射，是入射電子與試樣中原子相互作用后只改變軌跡而能量基本不變的散射過程。軌道改變的角度從0°到180°之間變化，平均改變角度約為0.1弧度。非彈性散射是碰撞體系中電子能量或動量不守恒的散射，是入射電子與試樣原子發(fā)生相互作用后發(fā)生能量損失的散射，其中電子動量的損失以多種機(jī)制（產(chǎn)生二次電子、韌致輻射、內(nèi)殼層電離、等離子體及光子激發(fā)）產(chǎn)生。對非彈性散射，電子軌道改變角度一般小于0.01弧度。一般情況下，入射電子在固體試樣中的彈性和非彈性散射過程要重復(fù)多次，散射范圍逐漸擴(kuò)大。

　　在此過程中，高能電子束激發(fā)出反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和成分的各種信號（圖2-2），如二次電子（SE）、背散射電子（BSE）、透射電子（TE）、俄歇電子、特征X射線、連續(xù)X射線（軔致輻射）、陰極熒光（CL）、吸收電子（AE）、電子束感生電流等。其中二次電子、背散射電子、俄歇電子、透射電子為電子信號，特征X射線、連續(xù)X射線、陰極熒光為電磁波信號，吸收電子、電子束感生電流為電流信號。我們將各種信號與原始電子束信號之間的比例稱為某種信號的產(chǎn)額。

圖2-2 電子與試樣相互作用產(chǎn)生的各種信息

　　掃描電鏡的功能就是使一個細(xì)聚焦的電子束照射試樣，并分別檢測由試樣發(fā)出的各種信號，最終根據(jù)各種信號的產(chǎn)額大小，按照明暗以圖像形式顯示出來。掃描電鏡中采用的信號往往不是單次散射所得，而是電子經(jīng)過多次散射以及能量損失后的總效應(yīng)。掃描電鏡主要用二次電子和背散射電子進(jìn)行試樣的觀察。能譜儀或波譜儀的成分分析是利用非彈性散射產(chǎn)生的特征X射線能量和強(qiáng)度進(jìn)行定性、定量分析。晶體的彈性散射還會產(chǎn)生與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的布拉格衍射，可以獲得晶體結(jié)構(gòu)信息。

一個入射電子可以產(chǎn)生多個二次電子，產(chǎn)生的二次電子和背散射電子，以及俄歇電子的強(qiáng)度及能量分布如圖2-3。

圖2-3 電子的能量分布及強(qiáng)度

　　各種信號在試樣中的穿透深度及擴(kuò)展范圍也各不相同，圖2-4為各種信號在試樣中的穿透深度（Zx）。

圖2-4 各種信號的穿透深度

　　從圖2-3和2-4中可以看出，俄歇電子的逸出深度最小，一般小于1nm，但是其產(chǎn)額非常低，所以在掃描電鏡中不單獨(dú)采集俄歇電子；二次電子的逸出深度小于10nm，擁有很好的空間分辨和較高的產(chǎn)額，所以二次電子是掃描電鏡采集的最重要的信號之一；背散射電子的空間分辨率雖不及二次電子，但是由于其特殊的襯度機(jī)制且產(chǎn)額也較高，也是掃描電鏡重點(diǎn)采集的信號；特征X射線產(chǎn)生的范圍較大，一般為μm量級，主要由第三方能譜儀進(jìn)行采集；陰極熒光信號分辨率進(jìn)一步降低，不過由于其特點(diǎn)，在掃描電鏡中也有相應(yīng)的探測器進(jìn)行采集；試樣如果做的非常薄，電子束足以穿透樣品形成透射電子，這主要是用透射電鏡進(jìn)行觀察，不過在掃描電鏡中也能采集透射信號；另外，原始電子束和樣品作用，最終能量損失殆盡而被試樣吸收，產(chǎn)生吸收電流，掃描電鏡也能采集吸收電流的信號，對試樣進(jìn)行特殊性能的觀察。在掃描電鏡中有著非常豐富的信號，下面就對SEM/EDS體系分析中常用的信號一一進(jìn)行介紹。