关于电子显微镜的原理讲解.docx

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关于电子显微镜的原理讲解

显微镜广泛被用作生物研究、工业研究、化学研究等科研重要领域，扫描电子显微镜的技术得到更深入的研究和发展，之所以分享这篇文章，主要是文内很好的帮助我们，提升对扫描电子显微镜原理、结构以及最新的发展情况，让我们在工作或者学习中做的更顺手，有更大的技术提升。

第一节扫描电镜的工作方式

图2-1为扫描电子工作原理示意图。

由电子枪发出的电子束在加速电压（通常200V～30kV）的作用下，经过两三个电磁透镜组成的电子光学系统，电子束被聚成纳米尺度的束斑聚焦到试样表面。

与显示器扫描同步的电子光学镜筒中的扫描线圈控制电子束，在试样表面一定微小区域内进行逐点逐行扫描。

由于高能电子束与试样相互作用，从试样中发射出各种信号（如二次电子、背散射电子、X射线、俄歇电子、阴极荧光、吸收电子等）。

图2-1扫描电镜的工作原理示意图

这些信号被相应的探测器接收，经过放大器、调制解调器处理后，在显示器相应位置显示不同的亮度，形成符合我们人类观察习惯的反映试样二维形貌的图像或者其他可以理解的反差机制图像。

由于图像显示器的像素尺寸远大于电子束斑尺寸，（0.1mm/1nm=100，000倍）而且显示器的像素尺寸小于等于人类肉眼通常的分辨率，这样显示器上的图像相当于把试样上相应的微小区域进行了放大。

通过调节扫描线圈偏转磁场，可以控制电子束在试样表面扫描区域的大小，理论上扫描区域可以无限小，但可以显示的图像有效放大倍数的限度取决扫描电镜分辨率的水平。

早期模拟图像输出采用高分辨照相管，用单反相机直接逐点记录在胶片上，然后冲洗相片。

不过随着电子技术和计算机技术的发展，如今扫描电镜的成像完全实现了数字化图像。

第二节电子与试样的相互作用

§1.概述

电子枪产生的高能电子束轰击试样表面时，入射电子与试样的原子核和核外电子产生弹性散射和非弹性散射作用。

弹性散射是碰撞体系中电子能量和动量守恒的散射，是入射电子与试样中原子相互作用后只改变轨迹而能量基本不变的散射过程。

轨道改变的角度从0°到180°之间变化，平均改变角度约为0.1弧度。

非弹性散射是碰撞体系中电子能量或动量不守恒的散射，是入射电子与试样原子发生相互作用后发生能量损失的散射，其中电子动量的损失以多种机制（产生二次电子、韧致辐射、内壳层电离、等离子体及光子激发）产生。

对非弹性散射，电子轨道改变角度一般小于0.01弧度。

一般情况下，入射电子在固体试样中的弹性和非弹性散射过程要重复多次，散射范围逐渐扩大。

在此过程中，高能电子束激发出反映试样形貌、结构和成分的各种信号（图2-2），如二次电子（SE）、背散射电子（BSE）、透射电子（TE）、俄歇电子、特征X射线、连续X射线（轫致辐射）、阴极荧光（CL）、吸收电子（AE）、电子束感生电流等。

其中二次电子、背散射电子、俄歇电子、透射电子为电子信号，特征X射线、连续X射线、阴极荧光为电磁波信号，吸收电子、电子束感生电流为电流信号。

我们将各种信号与原始电子束信号之间的比例称为某种信号的产额。

图2-2电子与试样相互作用产生的各种信息

扫描电镜的功能就是使一个细聚焦的电子束照射试样，并分别检测由试样发出的各种信号，最终根据各种信号的产额大小，按照明暗以图像形式显示出来。

扫描电镜中采用的信号往往不是单次散射所得，而是电子经过多次散射以及能量损失后的总效应。

扫描电镜主要用二次电子和背散射电子进行试样的观察。

能谱仪或波谱仪的成分分析是利用非弹性散射产生的特征X射线能量和强度进行定性、定量分析。

晶体的弹性散射还会产生与晶体结构有关的布拉格衍射，可以获得晶体结构信息。

一个入射电子可以产生多个二次电子，产生的二次电子和背散射电子，以及俄歇电子的强度及能量分布如图2-3。

图2-3电子的能量分布及强度

各种信号在试样中的穿透深度及扩展范围也各不相同，图2-4为各种信号在试样中的穿透深度（Zx）。

图2-4各种信号的穿透深度

从图2-3和2-4中可以看出，俄歇电子的逸出深度最小，一般小于1nm，但是其产额非常低，所以在扫描电镜中不单独采集俄歇电子；二次电子的逸出深度小于10nm，拥有很好的空间分辨和较高的产额，所以二次电子是扫描电镜采集的最重要的信号之一；背散射电子的空间分辨率虽不及二次电子，但是由于其特殊的衬度机制且产额也较高，也是扫描电镜重点采集的信号；特征X射线产生的范围较大，一般为μm量级，主要由第三方能谱仪进行采集；阴极荧光信号分辨率进一步降低，不过由于其特点，在扫描电镜中也有相应的探测器进行采集；试样如果做的非常薄，电子束足以穿透样品形成透射电子，这主要是用透射电镜进行观察，不过在扫描电镜中也能采集透射信号；另外，原始电子束和样品作用，最终能量损失殆尽而被试样吸收，产生吸收电流，扫描电镜也能采集吸收电流的信号，对试样进行特殊性能的观察。

在扫描电镜中有着非常丰富的信号，下面就对SEM/EDS体系分析中常用的信号一一进行介绍。

§2.二次电子（SE）

入射电子与试样中弱束缚价电子产生非弹性散射而发的电子，称为二次电子，如图2-5。

二次电子能量较低，习惯上把能量小于50eV的电子统称为二次电子。

二次电子产生域较小，仅从试样表面5～10nm的深度才能逸出表面，这也是二次电子像分辨率高的原因之一。

图2-5SE产生示意图

二次电子还可分为四类：

（1）二次电子1（SE1）：

由入射电子在试样中激发的二次电子；

（2）二次电子2（SE2）：

由试样中背散射电子激发的二次电子；

（3）二次电子3（SE3）：

由试样的电子背散射在远离电子束入射点产生的二次电子；

（4）二次电子4（SE4）：

由入射束的电子在电子光学镜筒内激发的二次电子。

二次电子对试样表面状态非常敏感，其产额δ主要取决试样的表面形貌，因而二次电子主要用于形貌观察。

此外，二次电子产额随原子序数也有一定的变化。

关于二次电子产额和形貌、成分的关系将在后文衬度部分做详细介绍。

除了试样表面形貌和成分外，二次电子产额和入射电子束能量也有关系。

二次电子产额δ与入射电子能量的关系如图2-6所示。

图2-6SE产额和人射电子能量的关系

对于大多数材料来说，这条曲线有相同的形式，该曲线的特点是：

当入射电子能量低时，δ随电子束能量E的增加而增加；而当电子束能量高时，δ对能量的增加而逐渐降低。

在某一个能量Emax，二次电子的产额最大。

金属材料的Emax大致为100～800eV，绝缘体的Emax大致为2000eV。

二次电子产额与入射电子能量的关系出现极大值，可以理解为随着入射电子能量增加，激发出的二次电子自然增加，但入射电子进入试样的深度也在增加，故激发出的二次电子向外逃逸越来越困难，因此入射电子能量大于Emax后，反而会使激发出的二次电子数目减少。

表2-1中列举了常见一些材料二次电子的最高产额及对应的能量，表2-2列举了一些材料的V2值。

表2-1不同加速电压下的电子对应的波长

表2-2常见材料的V2

背散射电子是入射电子在试样中受到原子核的卢瑟福散射而形成的大角度散射，重新逸出试样表面的高能电子，如图2-7。

背散射电子有弹性散射和非弹性散射之分，其弹性散射的背散射电子能量接近入射电子的能量，非弹性散射的背散射电子能量要稍低一些。

背散射电子一般是从试样0.1～1μm深处发射出来。

由于入射电子进入试样较深，入射电子已被散射开，因此背散射电子来自于比二次电子更大的区域，故背散射电子像的分辨率比二次电子低，不过背散射电子能够反映离试样表面较深处的情况。

图2-7BSE产生示意图

背散射电子的产额η与表面形貌有一定的关系，不过它随试样原子序数Z的变化更为敏感，随着原子序数Z的增加而增加。

因此背散射电子除了可以用于形貌观察外，更广泛的应用于观察试样成分的空间分布。

有关背散射电子产额与原子序数、形貌的关系将在后文中详细阐述。

此外背散射电子的产额η也和加速电压有一定的关系，如图2-8，不同材料在不同加速电压下的产额。

对于高原子序数的材料来说，背散射电子产额会随着加速电压的增大而升高，而对于低原子序数的材料来说，产额随加速电压的增加而降低。

图2-8BSE产额和人射电子能量的关系

图2-9BSE作用图区域和原子序数的关系图

用区域的形状也不完全相似，存在着一定的差别。

对于原子序数较大的材料来说，背散射电子趋向于向水平方向扩展，形成扁平的作用区域；而对于原子序数较小的材料来说，背散射电子趋向于向垂直方向扩展，形成相对“窄瘦”的区域。

§3.透射电子（TE）

当试样足够薄时，有部分电子可以穿过试样而成为透射电子。

在试样下方用闪烁体或半导体探测器便可检测到。

这些信号主要由TEM或SEM中的STEM附件来采集。

透射电子的产额主要取决于样品的成分、厚度、晶体结构和取向关系，在扫描电镜中主要用于STEM成像或者高分辨的EDSmapping，以及T-EBSD的采集。

§4.吸收电子（AE）

入射电子中的一部分与试样作用后，能量损失殆尽，无法逃逸出试样表面，而最终被试样吸收，这部分就是吸收电子。

若在试样和接地之间接上一个高灵敏的电流表，就可以得到试样的对地的信号。

假定入射电子的电流强度为i0，背散射电子流强度为ib，二次电子流强度为is，则吸收电子流强度ia=i0-（ib+is）。

若把吸收电子信号调整成图像，则它的衬度恰好与二次电子和背散射电子图像衬度相反。

§5.俄歇电子

如图2-10，如果原子内层电子能级跃迁过程所释放的能量，仍大于包括空位层在内的邻近或较外层的电子临界电离激发能，则有可能引起原子再一次电离，发射具有特征能量的俄歇电子。

俄歇电子从试样表面几个原子层的厚度发出，它的能量一般为1000eV。

图2-10俄歇电子产生示意图

由于俄歇电子能给出材料表面的信息，故俄歇电子常用于表面成分分析。

用俄歇电子进行分析的仪器被称为俄歇电子谱仪（AES），它需要在超高真空下工作，在扫描电镜中使用很少。

§6.电子束感生电流（EBIC）

一个高能电子被固体试样吸收时，将在试样中激发产生许多自由电子和相同数量的正离子（电子－空穴对），其中一部分自由电子将离开试样表面，变成二次电子，但绝大部分自由电子将与离子化的原子复合，对于金属试样，这一复合过程非常短，约10-12s，但对于半导体，复合的时间较长，并随纯度提高而增长，有的甚至长达几秒钟。

如果在这类试样的两端加上有外界直流电源建立的电位差，试样中这些多余的电荷载流子将向异性电极运动，在外接的电回路中检测到电流信号，称电子束感生电流信号，它反映了在电子束作用下半导体试样导电性的变化，故利用EBIC进行成像可以用来进行集成电路中pn结的定位和损伤研究，如图2-11。

图2-11EBIC成像原理图及扫描电镜EBIC图

§7.特征X射线

当试样原子内层被入射电子激发或电离后，会在内层电子处产生一个空缺，原子就会处于能量较高的激发状态。

此时外层电子会向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而释放出具有特定能量的电磁辐射光子，称为特征X射线（如图2-12）。

特征X射线是从试样0.5～5μm深处发出的，它的波长与原子序数之间满足Moseley关系式：

λ＝1/（z-σ）2，σ是常数

不同的波长λ对应不同的原子序Z。

根据这个特征能量，可以知道在分析区域存在何种元素。

能谱仪（EDS）和波谱仪（WDS）就是根据这个原理进行成分分析的。

图2-12特征X射线产生的原理示意图

§8.连续X射线（轫致辐射）

电子激发原子除了产生特征X射线外，还产生连续X射线，或称韧致辐射。

这是高能电子被原子库仑场减速而产生的电磁辐射光子，如图2-13。

由入射电子突然减速形成的X射线连续谱的能量从0～E0连续变化。

连续X射线是电子束微区成分分析所不希望产生的，它在特征X射线谱峰中产生背底。

图2-13连续X射线（韧致辐射）产生的原理示意图

§9.阴极荧光（CL）

阴极荧光也称阴极发光，是指由于电子束轰击有些固体（如半导体、矿物和某些有机分子材料等），受电子照射后，价电子被激发到高能级或能带中，被激发的材料同时产成弛豫发光的现象。

发射的波长范围是可见光、红外或紫外光。

阴极荧光现象及发光能力、发射波长和材料里的特殊的“激活剂”的种类及含量有关。

阴极荧光可以用一个聚光系统（如玻璃透镜）和光电倍增管收集并成像，可以被用来检测矿物，半导体和生物试样中痕量元素（可达ppm级，用线波谱WDS或者能谱EDS都是不能实现的）的分布，如图2-14。

图2-14阴极荧光光谱、阴极荧光照片和扫描电镜试样形貌照片