前言

 

光照射到樣品上會被吸收和反射。接受從物體反射來的光線，人眼才能看到物體的圖像。對電鏡來說，把電子束聚焦到樣品表面，激發并探測信號才能獲知形貌、成分或結構的信息。所以電子束與樣品的相互作用非常重要，產生什么信號、信號的特點和用途需要認真考慮。本欄主要介紹電子束與樣品的相互作用、幾種信號電子的產生機理和特點。

 

1 彈性散射和非彈性散射

 

電子與樣品的相互作用的具體物理過程非常復雜，理論深度很高。為了理解，本文會簡化論述，化繁為簡，不涉及散射截面、阻止能力等等抽象術語，而由形象和簡單入手，如入射電子與樣品的相互作用簡化為入射電子與孤立原子的相互作用。

 

首先回顧下原子結構的經典模型：在原子中，帶正電的原子核位于中心，環繞的是帶負電的核外電子；核外電子按不同能級占據了不同的軌道，粗分為內層電子和外層電子。相較于輕元素，重元素的原子核質量更大，質子數更多，其正電勢更強，同時外層電子也更多。同時，入射電子是質量小且帶負電的粒子，當它靠近原子核和核外電子時，受原子核或核外電子的庫倫場作用，運動方向會發生偏轉。

 

入射電子與原子相互作用，受到原子的庫倫場作用而發生角度改變，這被稱為散射，有時也被形象地稱為“碰撞”。石子擊中鋼鐵和淤泥，石子受到的阻力和運動軌跡不同，可以分為彈性碰撞和非彈性碰撞，見圖1。當石子受彈性碰撞時（擊中鋼鐵），它會發生較大的方向改變但是速度幾乎不變；當石子受非彈性碰撞時（擊中淤泥），它方向變化不大但是速度明顯下降。

 

圖1 彈性碰撞和非彈性碰撞的生活類比

 

對于某個散射過程，依據入射電子有無較大的能量損失，電子的散射也可以細分為彈性散射和非彈性散射，見圖2。

 

彈性散射：入射電子接近原子核時，它與原子核相互作用，因原子核的質量遠大于電子，作用后原子核的動能變化可以忽略不計，根據能量守恒，入射電子能量損失很小，只是方向發生了變化（角度通常只有幾度），這種作用屬于彈性散射。

 

非彈性散射：如果入射電子接近核外電子，它與原子的核外電子等相互作用，入射電子既有能量損失，又有方向改變（角度通常較小，0.1度或更小）還可能產生二次過程，比如激發核外電子。

 

圖2 電子-原子作用的彈性散射和非彈性散射

 

在入射電子與樣品相互作用過程中，彈性散射和非彈性散射同時存在：彈性散射使入射電子不斷改變方向，在樣品中擴展軌跡或逃逸出樣品表面，非彈性散射使入射電子不斷損失能量，“撞出”電子或發射電磁輻射。在樣品內部，入射電子釋放能量的軌跡構成了一個作用的區域，即作用區。

 

2 電子樣品相互作用之各種信號

 

一滴水落入湖面，由于水滴的動能和湖水的張力，會看到濺出的水花和激起的漣漪。當電子束入射到樣品表面時，由于電子束帶有電荷和很高的動能，電子束與樣品相互作用也會產生各種可被探測的信號，比如掃描電鏡常用的背散射電子、二次電子和特征X射線。它們具有不同的能量、作用范圍及其他特點，并能反映出樣品的形貌、元素、取向和電位的信息。理解這三種主要信號的產生機制和特點，對我們解釋圖像和按需設置參數不無裨益。

 

2.1 背散射電子和透射電子

 

對于塊狀樣品，電子與樣品可能較少次接觸就反向離開了樣品表面，也可能要經歷多次的散射過程，要么損失全部能量而停止，要么保有部分能量離開樣品表面。這種受到原子散射，（相對入射方向）反向的入射電子被稱為背散射電子（Backscattered electrons，常縮寫為BSE）。BSE英文寓意即被背向-散射-電子：與樣品作用，被散射后背向或改變方向，離開的入射電子。

 

圖3 背散射電子的產生機理和特點

 

從物理理論和概率上講，入射電子垂直入射樣品，在單次彈性散射過程中，入射電子的角度改變很小，見圖3a；散射后它會繼續深入樣品，發生多次的散射過程，可能伴有非彈性散射和能量損失；經過多次散射并走過了較長路程后，有些入射電子會喪失幾乎全部能量，也有部分會逃逸出表面，見圖3b所示。雖然概率相對較小，背散射電子也可能經歷了較少次作用，改變方向較大但是能量損失較小，在逃逸出表面時仍擁有較高的能量，見圖3c所示。以上解釋說明背散射電子的能量分布寬、作用的區域大。實踐中往往把大于50 eV，小于入射電子能量的信號電子定義為背散射電子。

 

原子核的庫倫場強度與原子序數/元素相關，原子序數越大，原子核對入射電子的彈性散射就越強，使其發生“被背散射”的概率加大。讀者可以對比圖3a和e，c和f獲得直觀認識。再稍延申一下，對于多晶體的不同晶面，取向不同原子面密度也不同，電子“被背散射”的概率也不同。因此背散射電子具有顯著特點：反映原子序數/元素信息（也常被稱為成分信息）或者晶體取向信息。另外，見圖3d所示，如果樣品表面有斜坡或邊緣，也縮短了入射電子的路程，使得其更容易逃逸而變成背散射電子，所以背散射電子也可以反映形貌信息。

 

對于薄樣品（幾十到上百納米厚度），有些入射電子可能會穿過樣品，變成透射電子。因為樣品較淺，入射電子的散射過程較少，彈性散射較少導致軌跡擴展小，非彈性散射較少導致能量損失小，所以透射電子作為信號往往是高分辨信號，SEM的STEM探測器采集的圖像往往可以實現很高的分辨率。

 

對于塊體而言，大部分背散射電子會經歷非彈性散射過程導致能量損失，在非彈性散射過程中入射電子和背散射電子都會損失能量，其中二次電子和X射線的產生是重要的能量交換過程。

 

2.2 二次電子

 

如果入射電子接近外層的核外電子，有可能把一部分能量傳遞給原子的外層電子，外層電子受到激發離開原子，見圖4a。這類似石子砸中一棵果樹，果子脫離樹枝而掉落。因為是被激發樣品原子的電子，相較于初次的（primary）入射，電子是二次的（second）電子，所以它稱為二次電子（Secondary electron，常縮寫為SE）。

 

圖4 二次電子的產生機理和特點

 

二次電子的能量非常低，通常低于50 eV，且大部分二次電子能量低于10 eV。因為能量比較低，只有產生于近表層的二次電子才可能逃逸出樣品表面，深處產生的二次電子則被吸收，見圖4b。二次電子能夠逃逸的距離，一般距表面約在10 nm左右。存在斜坡（如圖4c）和邊緣（如圖4d）都增加了二次電子逃逸的概率。因此，二次電子信號反映了樣品表層的形貌。

 

又因為能量比較低，二次電子出射后易受電場影響，在電場作用下容易改變軌跡。從利處講，探測器加正偏壓既可以吸引二次電子，對它的探測可以達到很高的效率。從弊處講，如果樣品表面存在一些不均勻的電場，該電場會影響出射二次電子的軌跡，如圖4 e所示：附近存在正電場，出射的二次電子受其吸引而折回樣品，最終圖像上該區域較暗。這是一種荷電現象，日常中也頗多見，后續專欄會特別介紹。

 

2.3 特征X射線

 

入射電子進入樣品原子后，也有可能把一部分能量傳遞給原子的內層電子，通常會損失超過50 eV的能量。在圖5中，受入射電子的激發，在發生了非彈性散射后，內層電子（一般是K、L、M層）脫離原子的束縛形成自由電子（過程1）。這時原子處于高能量的不穩定狀態，需要回到低能量的狀態，一種解決方法是外層電子填補內層電子的空缺（過程2），能量以產生X射線光子的形式來釋放（過程3）。這種情況下，X射線光子的能量值等于兩個電子層之間的能級差，與元素相關，所以被稱為特征X射線。

 

特征X射線是一種光，而且透過性能較強（圖5 右圖），所以它跟電子信號很不同，電鏡需要增加能譜儀或波譜儀去接受這種信號，以得到定量的元素信息。

 

圖5 X射線的產生機理

 

除了特征X射線外，還會產生連續X射線，它是軔致輻射產生的。“軔”就是剎車的意思，“剎車”導致的輻射，寓意是入射電子受到原子的“阻力”（主要是原子核的庫倫場）發生了減速，導致入射電子能量衰減。根據能量守恒，能量的差值也是以X射線的形式釋放。原子的“阻力”是隨機的，電子可能產生任意量的能量損失。連續X射線是能譜譜圖中背底的主要來源，構成了連續的背底。

 

X射線和能譜技術的內容將在EDS/EBSD專欄做更詳細介紹。

 

總結以上幾種信號的機理和特征，詳見表1。

 

表1 不同信號的機理與特征

 

隨之一提，雖然本文論述了電子與固體樣品的相互作用，但是電子與氣體、液態同樣會發生以上各種作用，所以電鏡需要保障真空條件，以使得電子在接觸樣品前不被散射。目前比較火的冷凍電鏡或原位表征氣液相電鏡的概念依然遵循物理規律，只是在表征含水樣品時使用了冷凍使其變成固體，或者使用特殊裝置隔絕電鏡的真空而使樣品處于低真空的狀態。

 

知道這些好像已經讓我們懂得了很多，但是在實踐中還遠遠不夠，很多疑惑還需要繼續釋疑，比如為什么不同參數下的圖像會不同，不同探測器反映的特征不同。二次電子和背散射電子沒有那么簡單，它們彼此聯系，又可以具體細分，下個欄目將進一步介紹，將表格3-1變得更為復雜而貼近實際。

 

3 實踐中的背散射電子和二次電子圖像

 

在分析表征中，我們要經常根據表征目的選擇主要成像信號：如果以形貌為主那么就選擇對其敏感的信號電子，比如二次電子；如果以元素或取向差別為主就選擇背散射電子。以下為美信檢測案例。

 

圖6為燃料電池截面，可以清晰地看出兩種信號對同一區域不同特征的不同反映能力。背散射電子在反映元素成分和取向差別上見長，重金屬區域亮度明顯，晶體取向的差別也較為清晰。二次電子在形貌反映上見長，可以清晰地看出刻痕等細節，對邊緣的反映能力也更強。但是，有時對特征的反映還取決于樣品相對于探測器的位置，后續將涉及。

 

圖6 使用不同成像信號對燃料電池成像

 

有些掃描電鏡或雙束電鏡也配置STEM探測器，它使用透射電子做成像信號，在對納米顆粒的反映也令人印象深刻。圖7為碳管上貴金屬納米顆粒的圖像。幾納米的顆粒，在通常的圖像中如星若暈，在這里也能纖毫畢現。

 

圖7 使用透射電子成像

 

參考文獻

 

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