細談掃描電鏡中的二次電子和背散射電子

2021-02-08 騰訊網

來源丨TESCAN 中國

信號類型

二次電子（SE）按照其產生的原理可以分成 SE1、SE2、SE3 和 SE4，但是在實際使用的時候會發現難以對 SE1～SE4 進行嚴格的區分，因此我們把 SE 分成更加實用、更容易從操作上掌握的低角 SE、高角 SE 和軸向 SE這三種 SE 信號。

背散射電子（BSE）根據角度不同將其區分為低角 BSE、中角 BSE、高角 BSE；又從對稱性的角度分離出非對稱的Topo-BSE；以及從能量的角度分離出Low-Loss BSE 信號，分為了五種 BSE 信號。

以上3種 SE 信號和5種 BSE 信號，加上本章介紹的減速模式下的信號SE+BSE (BDM)，一共有九種信號。這九種信號往往需要不同的電鏡條件，也有不同的襯度特點，各自信號有著獨特優勢的同時也存在相應的缺點，具體請參見表1。

表1

襯度類型

前面我們詳細了解各個信號在襯度上的特點，那接下來我們反過來思考一下：為了獲得各種類型的襯度，或者針對不同的試樣和不同的目的，應該如何選擇合適的信號進行採集以獲得最佳的效果呢？

1. 對於不追求超高解析度的形貌襯度圖像，立體感有時顯得格外重要。此時，可以優先選擇 Topo-BSE 信號來獲得極具立體感的襯度；其次可以選擇低角 SE 以及低角 BSE 信號。

2. 如需獲得高分辨的形貌襯度圖像，應該優先選擇軸向 SE 和高角 SE 信號，其次可以選擇中角 BSE 信號。

3. 如需獲得非常純的成分襯度圖像，而不希望有其它襯度的幹擾，可以優先選擇高角 BSE 和 Low-Loss BSE 信號。

4. 如需獲得兼有形貌和成分襯度的圖像，可以選擇低角 BSE、中角 BSE 信號，有時候減速模式下的信號也可以兼有形貌和成分襯度。

5. 如需獲得非常表面的成分襯度，如表面汙染，二維材料等，可以優先選擇軸向 SE、高角 SE 信號，其次可以選擇Low-Loss BSE 以及減速模式下的電子信號。

6. 如果不想獲得非常敏感的形貌，比如拋光質量不夠理想的金相試樣，想要進一步減弱劃痕影響，可以選擇高角 BSE 和 Low-Loss BSE 信號，其次選擇中角 BSE 信號。

7. 如需獲得較深處的成分信號，除了提高加速電壓之外，也應該優先選擇低角 BSE 和低角 SE 信號。

8. 如需獲得不同晶粒取向的通道襯度，優先選擇立體角最大的低角 BSE 信號。

9. 對於很多半導體試樣，如果要想獲得電位襯度，優先選擇軸向 SE 和高角 SE 信號。

10. 如需降低荷電效應影響，優先選擇Topo-BSE 和低角 BSE 信號，其次選擇低角 SE 和中角 BSE，而避免高角和軸向 SE 信號。

歸納一下，參見下表2

這裡只列舉了一些常見的情況，對於不同的試樣或者觀察目的，我們要根據這些信號的特點進行靈活運用。甚至當只採集一個信號達不到目的時候，要利用探測器信號混合功能來進一步獲得更理想的效果。

信號和探測器的選擇

電鏡觀察中存在這麼多的信號，那究竟用什麼類型的探測器來區分這些信號呢？對於現在大部分場發射電鏡來說，四探測器已經成為一個標準化的配置，即樣品室一個ETD探測器，一個極靴下方的BSE探測器，鏡筒內有兩個探測器。樣品室的兩個探測器基本上差別不大，鏡筒內的探測器會根據物鏡的類型以及各廠家的一些特殊技術而有所差別。不過論共性而言，鏡筒內的兩個探測器，普遍一個位置相對較高，一個位置相對較低。

一臺電鏡根據自身的設計情況以及工作條件，能夠分離出九種電子信號中的部分信號。粗略的進行歸納，可以總結為下表3。（不過需要注意的是，雖然有的探測器在表格中顯示可以採集多種信號，但是這只是對大部分電鏡做的一個歸納。對於一臺具體的電鏡而言，並不一定能夠實現所有功能）。

表3

總結

最後用一首七律對所有章節的內容進行一個總結，希望大家能夠對 SE、BSE 信號以及各種襯度之間的關係能夠有更深刻的理解，在電鏡觀察中獲得更好的結果。

《七律》

粉末塊體千百狀

用心製備導電亮

半明半暗亮線條

積分或能荷電抗

二次背散各有用

巧用二者圖成雙

高低角度大不同

多種模式減速場

磁場浸沒龍捲降

吸汲電子扶搖上

電磁靜電複合式

匯聚角度隨能量

非是高能分辨強

低壓窺得俏模樣

各類襯度分清楚

圖文相讖好文章

元素結構何取向

結晶參雜非所長

光譜質譜原位解

所見所得 All In One

送上一個電鏡經典問答

問題：這是電池隔膜試樣的圖片，你知道不同角度(左為低角、右為高角)表現出的襯度差異是如何造成的嗎？

兩張圖都是在減速模式下拍攝：左圖為低角電子，背散射相對佔主要部分，表現出形貌襯度，因為材質均勻，所以沒有明顯的成分襯度；右圖為高角電子，二次電子佔主要部分，表現為比較明顯的電位襯度和形貌襯度。

深圳華算科技專注DFT計算模擬服務，是唯一擁有VASP商業版權和全職技術團隊的計算服務公司，提供全程可追溯的原始數據，保證您的數據準確、合法，拒絕學術風險。

目前我們已經完成超過500個服務案例，客戶工作在JACS、Angew、AM、AEM、Nano Energy、Nature子刊、Science子刊等知名期刊發表。

相關焦點

  • 學術乾貨丨細談掃描電鏡中的二次電子和背散射電子
    > 二次電子（SE）按照其產生的原理可以分成 SE1、SE2、SE3 和 SE4，但是在實際使用的時候會發現難以對 SE1～SE4 進行嚴格的區分，因此我們把 SE 分成更加實用、更容易從操作上掌握的低角 SE、高角 SE 和軸向 SE 這三種 SE 信號。
  • 電鏡學堂 | 細談二次電子和背散射電子(二)
    由於背散射電子的能量相對較高，其在試樣中的作用深度也遠深於二次電子，通常而言是在0.1-1μm左右。在很多情況下，大家把BSE像簡單的認為是試樣的成分襯度，但是這種說法並不完全正確。A.  圖1 銅包鋁導線截面的SE、BSE像和鋁、銅電子產額        不過，這並不意味著BSE的產額僅僅就取決於原子序數，它和試樣的表面形貌、晶體取向等都有很大的關係，甚至在部分情況下，BSE在形貌立體感的表現上還要更優於二次電子。B.
  • 掃描電鏡和透射電鏡的區別
    當一束高能的入射電子轟擊物質表面時，被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特徵x射線和連續譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區域產生的電磁輻射。同時，也可產生電子-空穴對、晶格振動（聲子）、電子振蕩（等離子體）。原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。
  • 掃描電子顯微鏡原理和應用
    掃描電子顯微鏡原理和應用2.4.1 掃描電鏡的特點與光學顯微鏡及透射電鏡相比，掃描電鏡具有以下特點： (一) 能夠直接觀察樣品表面的結構，樣品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。 (二) 樣品製備過程簡單，不用切成薄片。
  • 金屬科研「神器」:掃描電子顯微鏡原理及應用
    可看成由許多不同傾斜程度的面構成的凸尖、臺階、凹坑等細節組成，這些細節的不同部位發射的二次電子數不同，從而產生襯度。二次電子像解析度高、無明顯陰影效應、場深大、立體感強，是掃描電鏡的主要成像方式，特別適用於粗糙樣品表面的形貌觀察。背散射電子是由樣品「反射」出來的入射電子，其主要特點是：(1)能量高，從50eV到接近入射電子的能量。
  • 掃描電鏡原理
    掃描電鏡是一種新型的電子光學儀器，主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發射。　　掃描電鏡主要有真空系統，電子束系統以及成像系統。
  • 掃描電子顯微鏡的特點及工作原理
    (二) 樣品製備過程簡單，不用切成薄片。 (三) 樣品可以在樣品室中作三度空間的平移和旋轉，因此，可以從各種角度對樣品進行觀察。 (四) 景深大，圖象富有立體感。掃描電鏡的景深較光學顯微鏡大幾百倍，比透射電鏡大幾十倍。 (五) 圖象的放大範圍廣，解析度也比較高。可放大十幾倍到幾十萬倍，它基本上包括了從放大鏡、光學顯微鏡直到透射電鏡的放大範圍。
  • 華慧高芯知識庫_淺析掃描電鏡的結構組成、工作原理及其應用
    掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱SEM），中文簡稱掃描電鏡，是介於透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段。在材料領域中，掃描電鏡技術發揮著極其重要的作用，被廣泛應用於各種材料的形態結構、界面狀況、損傷機制及材料性能預測等方面的研究。
  • ...公司全新推出 EM-30 Plus系列超高解析度臺式(桌面式)掃描電鏡
    2015年8月，臺式電鏡的領導者韓國COXEM（庫賽姆）繼2014年發布的EM-30 臺式掃描電之後，今年再推出EM-30 Plus系列超高解析度臺式掃描電鏡，將臺式電鏡的解析度提高到了優於5nm解析度的極限，可以與傳統大型掃描電鏡相媲美；同時設備配置了二次電子及背散射電子探測器，將臺式電鏡可對樣品進行表面形貌分析
  • 掃描電子顯微鏡原理
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/271346.htm　　掃描電子顯微鏡，英文名稱為SEM，是scanningelectronmicroscope的簡寫。掃描電子顯微鏡主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發射。
  • SEM(掃描電子顯微鏡)是什麼?
    首先由掃描纖維鏡的電子發射槍發射高速電子，聚焦，然後撞擊被觀察物理，再由另一個接收器來接受物理被撞擊後產生的如水波一樣的信號。物體被電子束撞擊後產生的信號有好多種。如下圖中的，俄歇電子，二次電子等。其實不難理解，物體本來就是由原子核和周圍的電子組成的，當有外來電子撞擊的時候，肯定會和現有的電子產生相互影響。如二次電子就是外來電子撞擊，取代現有電子位置，所跳躍出來的電子，就像來了第三者，原配被幹掉了，當然這個過程中肯定不會就那麼簡單，取代過程中肯定會有很多故事，在SEM中即表現為取代過程中會特徵X射線之類的東西出現。
  • 2012年上市新品盤點:電鏡
    主要廠商有Phenom-World、日本電子、Delong America公司。　　Phenom-World首創了電鏡能譜一體化的臺式掃描電子顯微鏡。日本電子推出了即包含有二次電子探頭，又包含有背散射電子探頭的桌上型掃描電子顯微鏡，彌補了桌上型掃描電子顯微鏡只有背散射電子探頭，只能觀察成分像，不能觀察二次電子像的不足。
  • 如何正確選擇掃描電鏡加速電壓和束流 ——安徽大學林中清32載經驗...
    3.加速電壓的升高，使得背散射電子能量增加，背散射電子能量越大，其溢出量受荷電場的影響也就越小。實例一、介孔材料KIT - 6不同加速電壓下的荷電現象  當加速電壓達到一定值，荷電場接地形成電荷通道，此時樣品中多餘的自由電子完全消失，樣品中也就不存在荷電場。加速電壓的提升，可以增加背散射電子的能量，達到一定值，背散射電子信息將克服荷電場對其正常溢出的影響，減弱並消除形貌像所顯現出的樣品荷電現象。因此不能簡單的認為：低加速電壓是不蒸金解決樣品荷電的唯一有效途徑。
  • 電鏡學堂丨掃描電子顯微鏡的結構(一) - 電子光學系統
    電子光學系統主要由電子槍、電磁聚光鏡、光闌、掃描系統、消像散器、物鏡和各類對中線圈組成，如圖3-1。由此可以看出，不同類型的電子源，其亮度、單色性、原始發射直徑具有較大的差異，最終導致聚焦後的電子束斑有明顯的不同，從而使得不同電子源的電鏡的解析度也有如此大的差異。通常掃描電鏡也根據其電子源的類型，分為鎢燈絲SEM和冷場發射SEM、熱場發射SEM。
  • 易輕忽之肯綮:掃描電鏡工作距離與探頭的選擇(上)——安徽大學林...
    二次電子和背散射電子是形成樣品表面形貌像的信息源，如同形成圖像的光。探頭如同人的眼睛，它獲取樣品表面形貌像的形貌襯度信息，如同從不同角度去觀察這個樣品。信息到達探頭的角度是形成表面形貌像的基礎。         b.採用減速模式：二次電子能量得到加強，使頂探頭接收的樣品信息改以高角度二次電子為主。圖像特性：二次電子襯度及邊緣效應增加、形貌立體感較差、荷電及電位襯度較大。
  • 掃描電鏡放大倍數和解析度背後的陷阱——安徽大學林中清32載經驗...
    絕大部分光學顯微鏡以及早期透射電鏡都採用這種成像模式。上世紀70年代透射電鏡增加了會聚束成像模式（STEM），使解析度達到原子級。散射束成像模式是將一束散射光（電子顯微鏡採用平行光）打在樣品上產生含有樣品特徵的透射光或反射光（體視鏡），由透鏡系統對其進行會聚、放大、成像。透射電鏡的成像模式類似於幻燈機。
  • 20張超逼真動圖,讓你秒懂四大電鏡原理工作原理!
    掃描電子顯微鏡（SEM） 掃描電鏡利用聚焦電子束在樣品表面激發各種物理信號進行成像，如二次電子、背散射電子等，通過相應的探測器進行探測並完成信號到圖像的數據轉換，信號的強度與樣品表面形貌或元素分布等有一定的對應關係。
  • 20張動圖,讓你秒懂四大電鏡原理!
    最近小編發現一些電鏡動畫，被驚豔到，原來枯燥無味的電鏡可以變得這麼生動，閒言少敘，下面就和大家一起來分享。掃描電鏡成像是利用細聚焦高能電子束在樣件表面激發各種物理信號，如二次電子、背散射電子等，通過相應的檢測器來檢測這些信號，信號的強度與樣品表面形貌有一定的對應關係，因此，可將其轉換為視頻信號來調製顯像管的亮度得到樣品表面形貌的圖像。
  • 蔡司推出GeminiSEM系列場發射掃描電鏡
    蔡司推出了新一代場發射掃描電鏡GeminiSEM系列，該系列電鏡採用了改進的Gemini技術，可用於研究、工業實驗室和成像設施。Gemini物鏡設計結合了靜電場與磁場，在實現最大光學性能的同時，將他們對樣品的影響降到了最低，具有高效、易用、高分辨的特點。
  • 掃描電鏡專用,英國牛津產X射線能譜分析儀(EDS)
    機緣巧合，機緣巧合，這次真的是機緣巧合，一位老師傅看我DIY電鏡比較痛苦，於是乎送了我半套電鏡~為何講是半套呢，因為只有鏡體主機，沒有電控部分。這套被拆的EDX就是這套鏡子上面的，鏡子型號是JEOL JSM-5600LV下面先簡介一下EDX的原理：所謂EDX（EDS）是指的X射線能譜分析，在掃描電鏡中當電子束轟擊到樣品表面時會溢出二次電子與背散射電子，電鏡靠這兩種電子來成像形成樣品表面輪廓與景深，但是當電子轟擊到樣品表面時