SEM二次电子成像和背散射电子成像

扫描电镜二次电子及背散射电子成像技术

扫描电镜成像主要是利用样品表面的微区特征，如形貌、原子序数、化学成分、晶体结构或位向等差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号，使阴极射线管荧光屏上不同的区域呈现出不同的亮度，从而获得具有一定衬度的图像，常用的包括主要由二次电子(SE，secondary electron)信号所形成的形貌衬度像和由背散射电子(BSE, backscattered electron)信号所形成的原子序数衬度像。

1. 二次电子(SE)像—形貌衬度

二次电子是被入射电子轰击出的原子的核外电子，其主要特点是：

(1)能量小于50eV ，在固体样品中的平均自由程只有10～100nm，在这样浅的表层里，入射电子与样品原子只发出有限次数的散射，因此基本上未向侧向扩散；

(2)二次电子的产额强烈依赖于入射束与试样表面法线间的夹角a , a大的面发射的二次电子多，反之则少。

根据上述特点，二次电子像主要是反映样品表面10 nm左右的形貌特征，像的衬度是形貌衬度，衬度的形成主要取于样品表面相对于入射电子束的倾角。如果样品表面光滑平整（无形貌特征），则不形成衬度；而对于表面有一定形貌的样品，其形貌可看成由许多不同倾斜程度的面构成的凸尖、台阶、凹坑等细节组成，这些细节的不同部位发射的二次电子数不同，从而产生衬度。二次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强，是扫描电镜的主要成像方式，特别适用于粗糙样品表面的形貌观察，在材料及生命科学等领域有着广泛的应用。

2. 背散射电子(BSE)像—原子序数衬度

背散射电子是由样品反射出来的初次电子，其主要特点是：

(1)能量高，从50eV到接近入射电子的能量，穿透能力比二次电子强得多，可从样品中较深的区域逸出(微米级)，在这样的深度范围，入射电子已有相当宽的侧向扩展，因此在样品中产生的范围大；

(2) 被散射电子发射系数η随原子序数Z的增大而增加，如下图所示。

由以上特点可以看出，背散射电子主要反映样品表面的成分特征，即样品平均原子序数Z大的部位产生较强的背散射电子信号，在荧光屏上形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上形成较暗的区域，这样就形成原子序数衬度（成分衬度）。与二次电子像相比，背散射像的分辨率要低，主要应用于样品表面不同成分分布情况的观察，比如有机无机混合物、合金等。

如上图所示，在铅/锡合金样品的二次电子图像上，可观察到表面起伏的形貌信息；在被散射电子图像中，可观察到不同组分的分布情况，在铅(原子序数为82)富集的区域亮度高，而锡(原子序数为50)富集的区域相对较暗。