泽攸科普——扫描电子显微镜(SEM)中背散射电子(BSE)和二次电子(SE)浅析


发布时间:

2024-02-27

本文主要介绍了扫描电镜成像中两种重要信号电子——背散射电子(BSE)和二次电子(SE)的产生机制、特征及实际应用。

本文主要介绍了扫描电子显微镜成像中两种重要信号电子——背散射电子(BSE)和二次电子(SE)的产生机制、特征及实际应用。首先从电子与样品相互作用的弹性散射和非弹性散射两个方面阐述了各种信号的基本产生过程。然后具体分析了背散射电子和二次电子的生成机理、能量及空间分布、信息特征等方面的内在联系和关键差异。最后通过实际案例说明两种信号电子在表征不同样品时的优劣势,为后续扫描电镜分析参数的选择提供理论依据。

扫描电子显微镜技术作为一种重要的微区、界面和纳米尺度样品的表征手段,广泛应用于材料、生物等多个领域。在扫描电镜的各类探测信号中,背散射电子和二次电子是两种最为常用也最重要的信号电子。理解它们的产生机制及特征,可以更好地指导后续的参数设置,从而得到质量更优的扫描电镜图像。

一、电子束与样品相互作用概述

当高能电子束入射并扫描样品表面时,会与样品原子发生复杂的弹性散射和非弹性散射作用。前者主要指电子束与样品原子核作用,入射电子发生较大角度偏转但几乎无能量损失;后者则主要指电子束与样品原子外层电子作用,入射电子轨道偏转相对较小但能量损耗较大。这两类复杂的动力学过程共同导致了入射电子逐步损失动能并生成各种可检测信号。

从检测信号分类看,与弹性散射相关的电子称为背散射电子;与非弹性散射相关的电子称为二次电子;另外还有连续谱和特征谱X射线等。这些信号携带了样品形貌、元素成分、结晶取向等多个方面信息。而背散射电子和二次电子是扫描电镜成像中使用最广泛也最重要的两类信号。

图 弹性碰撞和非弹性碰撞的生活类比

图 电子-原子作用的弹性散射和非弹性散射

二、背散射电子及其特征

当入射电子受到样品原子核作用发生较大角度散射后又逃逸出样品的,定义为背散射电子。由于与重元素原子核作用概率大,背散射电子对重元素敏感;另外不同取向的原子面密度也不同,导致背散射概率存在方向依赖性。因此,背散射电子携带了样品中元素分布与取向信息。

具体来看,背散射电子的产生与以下因素相关:

(1)入射电子与原子核距离;靠近核心,背散射概率上升

(2)原子序数;重元素原子核“阻力”大,背散射概率上升

(3)晶体取向;不同取向原子面密度不同,背散射概率因而不同

(4)表面形貌;斜面或边缘可减少入射电子运动距离,提高背散射概率

图 不同方向接收到的BSE强度及叠加算法

由上可知,背散射电子集中反映了样品的元素分布状态与晶体取向信息。

相应地,背散射电子的一些关键特征包括:

(1)能量高、范围广(50eV-入射电子能量);

(2)产生深度大,可达样品1微米深处;

(3)方向分布无特殊偏向性。

图 背散射电子的产生机理和特点

三、二次电子及其特征

当入射电子将部分动能传递给靠近样品表面的电子,使其脱离原子核成为自由电子时,这些自由电子就是二次电子。

二次电子与以下因素密切相关:

(1)入射电子与样品表面距离;靠近表面产生的概率大

(2)表面形貌;斜坡或边缘结构提高二次电子逸出概率

(3)表面电场;局部电场可改变二次电子轨迹,从而影响检测效率

图 SE产额随原子序数Z的关系

由上可知,二次电子主要反映了样品局部表面状态,是评价样品形貌的重要信号。

二次电子的一些关键特征还包括:

(1)能量低(<50eV) ,大部分在10eV以下;

(2)逸出深度极浅,在10nm左右;

(3)方向分布无明确定向性。

图 二次电子的产生机理和特点

由上可知,背散射电子和二次电子都没有确定的方向分布特征。但在能量值和检测深度上存在显著差异:前者高能广谱,后者低能局限;前者信息来自深部,后者主要来自极浅表面。正是这些差异使两者可以互补地反映样品的组成与形貌信息。

四、实际应用及形成机理复杂性

简单情况下,可以按上述理解指导参数设置。但实践中往往更为复杂:

(1)二次电子也与样品深层成分相关;

(2)背散射电子也与表面形貌相关;

(3)二者互有转换,难以截然分离;

(4)信号强度与检测位置也存在关系。

以某燃料电池断面检测为例。相同区域使用二次电子及背散射电子成像,效果差异显著:后者显示元素与取向信息更丰富,前者则更能突出形貌细节。

图 使用不同成像信号对燃料电池成像

由此可知,二次电子与背散射电子的形成机理及特征并非固定,与检测条件变化关系密切,应结合具体情况选择优化。但总的来说,二次电子更擅长表现形貌,背散射电子更擅长表现组成与结构。

五、小结

通过上述讨论可以看出,背散射电子和二次电子的产生机制及特征并不像简单理论模型那样非黑即白。二者的转换与重合较多,特征也会因检测条件和设备参数变化而呈现复杂性。但从总体上说,背散射电子更擅长反映样品元素和取向信息,二次电子更擅长表现样品形貌与表面结构。理解两者的形成过程及优劣势,对后续扫描电镜实验的设计与优化具有重要指导意义。

 

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安徽泽攸科技有限公司是一家具有完全自主知识产权的科学仪器公司, 自20世纪90年代开始投入电镜及相关附件研发以来,研发团队一直致力于为纳米科学研究提供优秀的仪器。目前,公司有包括PicoFemto系列原位TEM测量系统原位SEM测量系统ZEM系列台式扫描电镜JS系列台阶仪纳米位移台二维材料转移台探针台及低温系统光栅尺等在内的多个产品线,在国内外均获得了高度关注,填补了国家在科学精密仪器领域的诸多空白。