電鏡那麼多探測器,拍攝時我到底該如何選擇?

2020-12-06 儀器信息網


「TESCAN電鏡學堂」終於又跟大家見面了，利用掃描電鏡觀察樣品時會關注解析度、襯度、景深、形貌的真實性、其他分析的需要等等，不同的關注點之間需要不同的拍攝條件，有時甚至相互矛盾。

那我們該如何根據樣品類型以及所關注的問題選擇合適的電鏡條件呢？


這裡是TESCAN電鏡學堂第12期，將繼續為大家連載《掃描電子顯微鏡及微區分析技術》(本書簡介請至文末查看)，幫助廣大電鏡工作者深入了解電鏡相關技術的原理、結構以及最新發展狀況，將電鏡在材料研究中發揮出更加優秀的性能！



第五章  電鏡操作與工作參數優化

第三節  常規拍攝需要注意的問題


電鏡的工作條件包括很多，加速電壓、束流束斑、工作距離、光闌大小、明暗對比度、探測器的選擇等。前幾期我們已經介紹過加速電壓、束斑束流、工作距離該如何根據實際應用需求選擇。


本期將為大家繼續介紹明暗對比度、不同探測器對掃描電鏡拍攝的影響。



§4. 明暗對比度的影響


一張清晰的電鏡照片需要有適中的明暗對比度，可以利用電鏡軟體中的直方圖工具來進行明暗對比度的判斷，如圖5-30。直方圖的橫坐標表示亮度，左為暗部，右為亮部，縱坐標表示各種灰度所佔的比例。

圖5-30  直方圖工具


一張明亮對比適中的圖片，需要暗處、亮處、中間灰度均有分布，直方圖從中間到兩邊類似正態分布，如圖5-31。

圖5-31  亮度與直方圖


當圖像亮度過亮、過暗都會導致另一端沒有灰度信息，導致圖像信息損失。對比度的調節希望整個灰度分布恰好覆蓋大部分區域，如圖5-32，對比度太小則灰度僅覆蓋中間很少區域，而對比度太大，會造成亮處、暗處有信息損失。

在開始掃描的時候儘量將明暗對比度調節至最合適的條件，如果一開始明暗對比不適合，利用軟體自帶的處理工具可以對圖像進行優化，如圖5-33。調整完的可以清楚的判別出其中至少五種灰度襯度，而調整前只能勉強分辨四種襯度。

圖5-32  對比度與直方圖


圖5-33  明暗對比度的影響及對應的直方圖



§5. 探測器的選擇


TESCAN的場發射掃描電鏡如果配置齊全包括SE、InBeam-SE、BSE、InBeam-BSE、STEM-BF、STEM-DF六個獨立的探測器，前面已經在電鏡結構中簡單介紹了各個探測器的原理和特點。在平時拍攝時，選擇不同的探測器也會獲得不同的效果。

圖5-34  TESCAN電鏡所有的電子探測器



①  SE和BSE探測器的對比


SE和BSE分別是旁置式電子探測器和極靴下探測器，前者接收二次電子和部分低角背散射電子，後者接收大部分低角背散射電子探測器。所以從圖像效果來說，SE探測器的圖像以形貌襯度為主，立體感強，兼有少量的成分襯度；BSE探測器的圖像以成分襯度為主，兼有一定的形貌襯度，如圖5-35。

圖5-35  SE（左）和BSE（右）探測器的襯度對比



②  SE與InBeam-SE探測器的對比


SE和InBeam-SE探測器相比，前者在側方，具有陰影效應，可以形成強烈的立體感，而後者位於正上方，不會受任何形貌的遮擋，立體感較差，如圖5-36。

圖5-36  SE（左）和InBeam-SE（右）探測器的立體感對比


SE探測器接收SE1、SE2、SE3和部分BSE信號，解析度相比只收集SE1的InBeam SE探測器要低，如圖5-37。

圖5-37  SE（左）和InBeam-SE（右）探測器的解析度對比


對於一些凹坑處的觀察，由於InBeam-SE探測器在上方沒有遮擋，所以會比SE探測器有更多的信號量，InBeam-SE探測器更適合做凹陷區域的觀察，如圖5-38。

圖5-38  SE（左）和InBeam-SE（右）探測器對凹陷處觀察對比



③  BSE與InBeam-BSE探測器的對比


BSE探測器主要採集低角背散射電子，InBeam-BSE探測器採集高角背散射電子，前者兼有成分和形貌襯度，後者相對來說成分襯度佔主要部分，形貌襯度相對較弱。不過後者接收的電子信號量小於前者，所以信噪比也不如前者，如圖5-39。

圖5-39  BSE（左）和InBeam-BSE（右）探測器受形貌影響的對比


對於能觀察到通道襯度的平整樣品來說，BSE探測器顯然有更好的通道襯度，更有利於晶粒的區分，如圖5-40。

圖5-40  BSE（左）和InBeam-BSE（右）探測器通道襯度的對比



④  STEM探測器的應用


電子束轟擊到試樣上形成水滴狀的散射，但當試樣足夠薄時，電子束的散射面積還沒有擴大就已經透射樣品，所以此時各種信號的解析度較常規樣品更高，STEM探測器也有更好的解析度。


STEM探測器由於需要樣品經過特殊的制樣，雖然在掃描電鏡中不常用，但是卻有著所有探測器中最高的解析度。當二次電子和背散射電子探測器解析度都達不到要求時，可以嘗試STEM探測器。如圖5-41，二次電子探測器在20萬倍下已經解析度不夠，而STEM放大至50萬倍也能很好的區分。

圖5-41  SE（左）和STEM（右）探測器解析度的對比


此外，對於一些納米級的小顆粒，因為團聚厲害，二次電子即使在低電壓下也難以將其區分，且解析度也不好，而STEM探測器通過透射電子來進行成像，對小顆粒的區分能力要強於其它探測器。如圖5-42，STEM探測器可以區分團聚在一起的更小的單個納米顆粒，而二次電子探測器則觀察到團聚在一起的顆粒。

圖5-42  STEM（左）和InBeam-SE（右）探測器對團聚納米顆粒的分辨對比


掃描電鏡中的STEM探測器雖然解析度是最高的，但是和透射電鏡的解析度相比還是相形見絀。不過掃描電鏡的電壓要遠小於透射電鏡，所以掃描電鏡的STEM相比TEM有著更好的質厚襯度。所以對一些不是非常注重橫向解析度，但特別注重質厚襯度的樣品，如一些生物樣品、石墨烯等，掃描電鏡的STEM探測器可以表現出更大的優勢。


如圖5-43，為10kV下觀察到的石墨烯試樣，圖5-44為生物樣品在掃描STEM和TEM下的對比。

圖5-43  STEM探測器在10kV下拍攝的石墨烯試樣


圖5-44  生物試樣在SEM STEM探測器和TEM的對比



⑤  多探測器同時成像


TESCAN的電鏡具有四個獨立的通道放大器，可以進行四個探測器的同時成像。如果分辨不清楚用何種探測器時，可以選擇多種探測器同時成像。然後在軟體中將需要的圖像進行通道分離，如圖5-45。

圖5-45  四探測器同時成像



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