电镜学堂丨扫描电子显微镜的基本原理(二) - 像衬度形成原理

2020-07-07

第三节   扫描电镜像衬度形成原理

       

扫描电镜通过电子束在样品表面周而复始的进行扫描运动,同时实时监测各种信号图像的产额,然后根据产额的多少调制成图像。   

引起各种信号产额扫描电镜像衬度的来源有三个方面:① 试样本身性质(表面凹凸不平、成分差异、取向差异、表面电位差别等);② 信号本身性质(二次电子、背散射电子);③对信号的人工处理。     


§1. 形貌衬度   

样品所谓的形貌衬度,其实就是不同位置的倾斜角度的差异。   


A. 二次电子产额δ 和人射电子束角度α 的关系   

能量相同的电子束轰击样品形貌不同的区域,产生的二次电子的深度一样。但是二次电子产生后,最终要能逃出样品表面才能被接收到。设α 为入射电子束与试样表面法线的夹角,对光滑试样表面,二次电子的产额 δ∝1/cosα。α越大,入射电子越靠近试样表面层。从图2-15中可以看出,α2>α1,入射电子束②的路径比入射电子束①更靠近试样的表面,就有更多的二次电子逃逸出试样表面。要得到强的二次电子信号,往往需要倾转试样台,也就是改变入射电子束的角度 (改变α),使之有更多的二次电子激发出来。


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图2-15   倾斜角和SE产额的关系


B.   入射电子方向对背散射电子产额η 的影响

η 是背散射电子的产额,表示一个初始电子能产生能量大于50eV而小于初始能量的电子的几率。当电子束垂直入射时,背散射电子的分布接近余弦定律,发射的方向是随机的(图2-17a); 当电子束倾斜入射时,背散射电子的角分布成一个向前的棒形 (图2-17b,c)。随着入射角α 的增加,背散射电子也更加的靠近试样表面,背散射电子的发射也相应的增加。当人射角接近掠射角时,背反射系数η接近于1。

η 随倾角α 增加而增加,但不精确满足正割关系,如图2-16。α 角越大,背散射电子反射系数η越高,这表明背散射电子反射率对样品表面状态也比较敏感。


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              图 2-16 背反射系数η 与倾斜角的关系                                 图 2-17 BSE的角度分布



C.   形貌衬度

对扫描电镜而言,入射电子的方向是固定的,但由于试样表面凹凸不平,导致了电子束对试样表面的入射角的不同。如图2-18所示,试样中A, B两个平面的入射角α 是不同的,由二次电子以及背散射电子反射的规律可以知道,入射角α越大,二次电子产额δ越高,背散射电子反射系数η 也越高,故而扫描电镜探测器接收到的二次电子和背散射电子数量也不同,从而图像上的亮度也不同。例如,A区的入射角比B区大,A区接收到的二次电子和背散射电子更多,所以反映在图像上就是A区比B区更亮,从而将试样的形貌衬度表现出来。


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图 2-18 表面形貌衬度


二次电子产额和背散射电子反射系数都可以表现试样的形貌衬度,但由于背散射出射深度深,发射区域相对二次电子很大,空间分辨率相对二次电子低的多,立体感也不及二次电子,背散射电子很大程度上反映的是亚表面的形貌。如图2-19,是锂电池电极材料的SE像和BSE像,明显可以发现SE像对表面形貌的反映比BSE像更灵敏。不过现在很多的桌面台式扫描电镜就是利用背散射电子来观察试样的形貌。而且在特定的情况下,背散射电子观察形貌比二次电子有优势,这将在后文中提到。


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图 2-19 锂电池电极材料的SE像和BSE像


不过二次电子和背散射电子在探测器的接收方式上存在较大的差异,虽然倾斜角越大背散射电子产额越高,但是其发散角分布也改变。此时背散射虽然有较大的产额,但并不意味着所有的背散射电子都能被有效的接收到,所以有时候背散射电子像的明暗衬度和倾斜角之间的关系并不完全一致,如图2-20。


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图 2-20 金字塔状形貌的SE像和BSE像(异常反差)


D.   边缘效应

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图 2-21 形貌衬度中的边缘效应与尖端效应     


不过二次电子或背散射电子的形貌衬度有明显的边缘效应和尖端效应,如图2-21所示。在一些突出的尖端,或者是小颗粒、较陡的斜面,以及多个平面的交汇处,二次电子逃逸到表面的途径要比正常情况大的多,所以在这些位置往往二次电子的产额会比正常平面高很多,反映在图像上就是发生尖端效应或者边缘效应的区域亮度非常高,呈一个白点或者白色轮廓,如图2-22。


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图 2-22 边缘效应与尖端效应                 

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