扫描电子显微镜图像的衬度形成原理

在扫描电子显微镜中，电子束与样品相互作用，由于样品微区特征（例如形貌、原子序数或化学成分、晶体结构或取向等）不同，产生的信号强度也就不同，导致图像上出现亮度不同的区域，这就形成了扫描电子显微镜图像的衬度。形貌衬度和成分衬度是扫描电子显微镜最基本的两种图像衬度^[212]。

（1）形貌衬度 表面的形貌衬度是指利用对样品表面特别敏感的信号成像而得到的衬度。二次电子和背散射电子均可以提供形貌衬度，这是扫描电子显微镜中最常用的图像衬度。

1）二次电子像的形貌衬度。二次电子主要来自表面下深度小于10nm的浅层区域，它的强度与样品微区的形貌有关，而与样品的原子序数没有明显的依赖关系。二次电子像的分辨率高，适于显示形貌细节。在扫描电子显微镜中，二次电子产率随微区表面倾斜程度变化而变化，样品表面倾角大的细节比倾角小的细节产生的二次电子多。这种信号强度的差异是提供形貌衬度的依据。用二次电子信号做形貌分析时，可在探测器收集栅上加一个正电压（250～500V）来吸引能量较低的二次电子，使它们以弧形路线进入探测器。这样从试样表面某些背向探测器或凹坑等部位逸出的二次电子也能对成像有贡献，故二次电子像层次（景深）增加，细节清晰。

2）背散射电子像的形貌衬度。背散射电子虽然大部分来自样品的较深部位，但随着样品倾角的增大，背散射电子出射样品的机会也增加，背散射电子产率也随样品倾角的加大而上升，因此背散射电子像有衬度变化，可以显示样品的微观形貌。

与二次电子相比，背散射电子能量较高，离开样品表面后沿直线轨迹运动，能进入探测器的背散射电子仅限于朝着探测器方向沿直线轨迹运动的背散射电子，即探测器收集到的是从反射台到探测器所张的立体角内的背散射电子，不在立体角范围内的背散射电子就接收不到，而该立体角很小，信号强度低，探测器对背散射电子的几何收集率为1%～10%，因而背散射电子像有明显阴影，阴影部分的细节由于太暗可能看不清楚。因此，背散射电子像在反映样品表面细节方面不如二次电子像。

（2）成分衬度 电子束与样品相互作用会产生某些与样品微区原子序数或化学成分有关的物理信号，例如背散射电子、吸收电子、特征X射线。检测这些信号成像（称为成分衬度像），可以显示出微区内化学成分或原子序数的差异。(www.xing528.com)

1）背散射电子像的成分衬度。在原子序数Z＜40的范围内，背散射电子的产额对原子序数十分敏感。故在进行分析时，从试样上原子序数较高的区域中得到比原子序数较低区域更多的背散射电子，也就是说原子序数较高的区域比原子序数较低的区域亮，这就是背散射电子的原子序数衬度原理。

利用背散射电子的原子序数衬度来分析界面上或晶粒内部不同种类的析出相是十分有效的，因为析出相成分不同，激发的背散射电子数量也不同。这样我们就可以从背散射电子像的亮度差别，再根据我们对试样的了解，定性地判断出析出物的类型。

2）吸收电子像的成分衬度。吸收电子强度等于入射电子强度减去背散射电子强度和二次电子强度。由于二次电子随原子序数变化不大，但背散射电子强度与原子序数有关，因此吸收电子强度与原子序数有关。很显然，背散射电子像上的亮区在吸收电子像上必是暗区，即吸收电子像与背散射电子像的衬度是互补的，故吸收电子像也能用来显示试样表面元素的分布，但它的分辨率较差，只有0.1～1μm，不过对于试样裂缝内部的观察，吸收电子像是有利的。

形貌衬度和成分衬度是扫描电子显微镜最基本的两种图像衬度。形貌衬度的起因是出射样品的二次电子产率有差异。成分衬度的起因是背散射电子强度、吸收电子强度及特征X射线强度的差异。需要注意的是，二次电子像主要对形貌敏感，背散射电子像主要对成分敏感，但二次电子像也会有背散射电子的影响，而背散射电子像也常伴随着二次电子的影响。用背散射电子进行成分分析时，为了避免形貌衬度对原子序数衬度的干扰，要对被分析试样进行表面抛光。用二次电子像进行表面形貌分析时，则需要保护好原始的表面。