電鏡學堂丨掃描電子顯微鏡的基本原理(二) - 像襯度形成原理

第三節(jié)   掃描電鏡像襯度形成原理

掃描電鏡通過電子束在樣品表面周而復始的進行掃描運動，同時實時監(jiān)測各種信號圖像的產額，然后根據產額的多少調制成圖像。   

引起各種信號產額掃描電鏡像襯度的來源有三個方面：① 試樣本身性質（表面凹凸不平、成分差異、取向差異、表面電位差別等）；② 信號本身性質（二次電子、背散射電子）；③對信號的人工處理。     

§1. 形貌襯度   

樣品所謂的形貌襯度，其實就是不同位置的傾斜角度的差異。   

A. 二次電子產額δ 和人射電子束角度α 的關系   

能量相同的電子束轟擊樣品形貌不同的區(qū)域，產生的二次電子的深度一樣。但是二次電子產生后，最終要能逃出樣品表面才能被接收到。設α 為入射電子束與試樣表面法線的夾角，對光滑試樣表面，二次電子的產額 δ∝1/cosα。α越大，入射電子越靠近試樣表面層。從圖2-15中可以看出，α2＞α1，入射電子束②的路徑比入射電子束①更靠近試樣的表面，就有更多的二次電子逃逸出試樣表面。要得到強的二次電子信號，往往需要傾轉試樣臺，也就是改變入射電子束的角度 （改變α），使之有更多的二次電子激發(fā)出來。

圖2-15   傾斜角和SE產額的關系

B.   入射電子方向對背散射電子產額η 的影響

η 是背散射電子的產額，表示一個初始電子能產生能量大于50eV而小于初始能量的電子的幾率。當電子束垂直入射時，背散射電子的分布接近余弦定律，發(fā)射的方向是隨機的（圖2-17a）； 當電子束傾斜入射時，背散射電子的角分布成一個向前的棒形 （圖2-17b，c）。隨著入射角α 的增加，背散射電子也更加的靠近試樣表面，背散射電子的發(fā)射也相應的增加。當人射角接近掠射角時，背反射系數η接近于1。

η 隨傾角α 增加而增加，但不精確滿足正割關系，如圖2-16。α 角越大，背散射電子反射系數η越高，這表明背散射電子反射率對樣品表面狀態(tài)也比較敏感。

　　　　　　　　　　　　　　圖 2-16 背反射系數η 與傾斜角的關系　 　 　                          　 圖 2-17 BSE的角度分布

C.   形貌襯度

對掃描電鏡而言，入射電子的方向是固定的，但由于試樣表面凹凸不平，導致了電子束對試樣表面的入射角的不同。如圖2-18所示，試樣中A, B兩個平面的入射角α 是不同的，由二次電子以及背散射電子反射的規(guī)律可以知道，入射角α越大，二次電子產額δ越高，背散射電子反射系數η 也越高，故而掃描電鏡探測器接收到的二次電子和背散射電子數量也不同，從而圖像上的亮度也不同。例如，A區(qū)的入射角比B區(qū)大，A區(qū)接收到的二次電子和背散射電子更多，所以反映在圖像上就是A區(qū)比B區(qū)更亮，從而將試樣的形貌襯度表現(xiàn)出來。

圖 2-18 表面形貌襯度

二次電子產額和背散射電子反射系數都可以表現(xiàn)試樣的形貌襯度，但由于背散射出射深度深，發(fā)射區(qū)域相對二次電子很大，空間分辨率相對二次電子低的多，立體感也不及二次電子，背散射電子很大程度上反映的是亞表面的形貌。如圖2-19，是鋰電池電極材料的SE像和BSE像，明顯可以發(fā)現(xiàn)SE像對表面形貌的反映比BSE像更靈敏。不過現(xiàn)在很多的桌面臺式掃描電鏡就是利用背散射電子來觀察試樣的形貌。而且在特定的情況下，背散射電子觀察形貌比二次電子有優(yōu)勢，這將在后文中提到。

圖 2-19 鋰電池電極材料的SE像和BSE像

不過二次電子和背散射電子在探測器的接收方式上存在較大的差異，雖然傾斜角越大背散射電子產額越高，但是其發(fā)散角分布也改變。此時背散射雖然有較大的產額，但并不意味著所有的背散射電子都能被有效的接收到，所以有時候背散射電子像的明暗襯度和傾斜角之間的關系并不完全一致，如圖2-20。

圖 2-20 金字塔狀形貌的SE像和BSE像（異常反差）

D.   邊緣效應

圖 2-21 形貌襯度中的邊緣效應與尖端效應     

不過二次電子或背散射電子的形貌襯度有明顯的邊緣效應和尖端效應，如圖2-21所示。在一些突出的尖端，或者是小顆粒、較陡的斜面，以及多個平面的交匯處，二次電子逃逸到表面的途徑要比正常情況大的多，所以在這些位置往往二次電子的產額會比正常平面高很多，反映在圖像上就是發(fā)生尖端效應或者邊緣效應的區(qū)域亮度非常高，呈一個白點或者白色輪廓，如圖2-22。

圖 2-22 邊緣效應與尖端效應