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扫描电镜(SEM)是如何检测样品信息的

 发布时间:2017-11-30 点击量:2612

扫描电镜(SEM)是一种用途广泛的科学仪器,它可以根据用户的需求提供样品不同类型的信息。在这里我们将阐述在扫描电镜(SEM)中产生的不同类型的电子,它们是如何被检测出来的,以及它们可以提供的信息等。

 

电子显微镜是通过电子束来成像的。在图1中,您可以看到电子与物质相互作用所产生的各种信号,所有这些不同类型的信号携带着关于样品的不同的有用信息,由电子显微镜的操作人员根据需要选择接收的信号。

 

例如在透射电镜(TEM)中,正如它的名字所示,检测到的信号是透过样品的电子,会提供样品内部结构的信息。在扫描电镜(SEM)下,通常需要检测两种类型的信号:背散射电子(BSE)和二次电子(SE)。

 

图1:电子与物质相互作用区域,产生不同类型的信号

 

背散射电子的成像(BSE)

 

这种类型的电子来源于相互作用体积内的一个宽广区域。它们是入射电子与物质原*弹性碰撞的结果,这导致了入射电子轨道的变化。可以把入射电子与物质原子碰撞看作是所谓的“台球”模型,小粒子(入射电子)与较大的粒子(原子)相撞。较重的原子比轻原子更容易散射电子,从而产生更强的信号(图2),因此背散射电子到达探测器的数量与物质的原子序数成正比。这种背散射电子(BSE)数量对原子序数的依赖帮助我们区分不同的成分区域,提供了样本成分组成信息的成像。此外,BSE图像还可以提供关于样品晶相、形貌和磁场等有价值的信息。

 

图2:a)铝/ 铜样品的SEM图像,b),c)电子束与铝和铜相互作用的简化图解。铜原子(更高的原子序数)与较轻的铝原子相比,将更多的入射电子散射到探测器上,因此在SEM图像中看起来更亮。

 

zui常见的BSE探测器是包含p-n结的固态探测器,其工作原理是利用逸出样品后被探测器吸收的背散射电子产生的电子空穴对为基础。这些电子空穴对的数量取决于背散射电子的能量。p- n结连接到两个电极上,其中一个电极吸引电子,另一个吸引空穴从而产生电流,电流大小取决于所吸收的背散射电子的数量。

 

BSE检测器位于样品上方,与入射电子束形成“甜甜圈”排列,它们由对称分离的部分组成,以便zui大限度地收集背散射电子。当所有的部分都被启用时,图像的对比度描绘了样品的原子序数信息。通过只启用探测器的特定象限,图像反应样品的形貌信息。

 

图3:背散射电子探测器和二次电子探测器的位置。

 

二次电子

 

相反,二次电子来源于样品表面和接近表面的区域。它们是入射电子束与样品之间非弹性散射的结果,其能量比背散射电子低。二次电子对于样品表面的细节反映非常有用,如图4所示:

 

图4:叶子的成像:a)背散射成分像(BSD) b)背散射形貌像(BSD) c)二次电子像

 

E-T型探测器是zui常用的二次电子探测器。它由一个法拉第笼内的闪烁体组成,它带正电可以吸引二次电子。之后闪烁体加速电子并将它们转换成光,然后到达光电倍增管进行放大,二次电子检测器以一定的角度被放置在样品室的一侧,有助于提高二次电子的检测效率。

 

这两类电子是扫描电镜(SEM)用户zui常用的成像信号。并非所有的SEM用户都只需要一种类型的信息,因此拥有多个探测器的表征功能使SEM成为一种通用的工具,可以为许多不同的应用提供有价值的解决方案。

 

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