扫描电子显微镜的基本原理解析

扫描电子显微镜主要基于高能电子束与样品相互作用时激发样品产生的各种物理信号,如二次电子、背散射电子、特征X射线、俄歇电子、透射电子等,如图2.3.1所示,这些物理信号的强度随样品表面特征的变化而变化,通过收集这些物理信号,可以得到样品表面的信息[15]。

图2.3.1　入射电子轰击样品产生的物理信号[16]

1.二次电子

二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小,所以外层电子比较容易和原子脱离。当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后,可离开原子而变成自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层的区域,那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出,变成真空中的自由电子,成为二次电子。

二次电子主要来自表面5～50 nm的区域,一方面,对样品表面状态非常敏感,能非常有效地显示样品的表面形貌;另一方面,由于二次电子来自样品表面层,入射电子还没有多次散射,产生二次电子的面积与入射电子的光斑面积没多大区别,因此二次电子的分辨率较高,一般可达5～10 nm。

扫描电子显微镜的分辨率通常取决于二次电子的分辨率,二次电子产生的数量随原子序数变化不明显,主要决定于表面形貌。

2.背散射电子(www.xing528.com)

背散射电子是指被固体样品中的原子反弹回来的一部分入射电子,包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大于90°的入射电子,其能量基本上没有变化;非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射而造成的,不仅方向变化,能量也发生变化。从数量上看,弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占份额多。背散射电子的产生范围一般在100 nm～1μm深,产额随原子序数增加而增加,因此,利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征,也可用来显示原子序数衬度,定性地进行成分分析。

3.特征X射线

特征X射线是原子的内层电子受到激发以后,在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。原子序数和特征X射线能量之间有对应关系,利用这一对应关系可以进行成分分析。

4.俄歇电子

处于激发态的原子体系释放能量的另一种形式是发射具有特征能量的俄歇电子。如果原子内层电子能级跃迁过程所释放的能量仍大于邻近或较外层电子临界电离激发能,就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。俄歇电子是在样品表面极有限的几个原子层中发出的,并且每一种原子都有自己的特征壳层能量,因此俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。

5.透射电子

如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度,就会有相当数量的入射电子能够穿过薄样品而成为透射电子。入射电子穿透样品的过程中将与原子核或核外电子发生有限次数的弹性或非弹性散射。透射电子信号是由微区厚度、成分和晶格结构决定。其中有些特征能量损失的非弹性散射电子和分析区域的成分有关,可以用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。