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掃描電子顯微鏡（SEM）—從基礎出發(fā)、一切盡在掌握之中

來源：研之成理時間：2020-04-13 16:04:13 瀏覽：10677次

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1. SEM 與 TEM 的不同在于成像電子不同。

2. 二次電子成像很好的反應樣品的形貌。

3. SEM 圖中的明暗差別來自何處？— 形貌襯度與成分襯度。

4. 為什么 SEM 圖更具立體感？— 分辨率固然重要，景深同樣不可忽視。

1
SEM 與 TEM 的殊與同？

無論是 SEM 還是 TEM，其主要目的都是成像。光與物體作用，使其呈現(xiàn)于人眼；在 SEM/TEM 中，電子取代光，與物體相互作用，使其呈現(xiàn)于屏幕。高速電子與樣品相互作用后發(fā)射出一系列的“電磁波”（如圖1）。

▲圖1 圖片來源于掃描電子顯微學（PPT）

SEM 與 TEM 的不同之處在于收集不同的電子用于成像。SEM 收集二次電子和背散射電子；TEM 收集透射電子和散射電子。一個不太恰當?shù)谋扔鳎涸陉柟庀?，你既可以看到大樹，也可以看到大樹的影子。大樹好?SEM 成像；大樹的影子好比 TEM 成像。顯而易見，影子雖然也能反映大樹的外形，但是大樹原型更加立體，可觀。如圖2 所示：

▲圖2 圖片來源于百度圖片

2
SEM的成像原理和基本構(gòu)造

上文中已經(jīng)提到 SEM 收集二次電子或者背散射電子成像。二次電子和背散射電子的發(fā)射方向都位于樣品的上方，所以 SEM 的探測器也位于樣品的上方（這也是與 TEM 一個很大的不同之處）。SEM 的整體外形圖和構(gòu)造圖如圖3 和圖4 所示。

▲圖3

▲圖4 圖片來源于掃描電子顯微學（PPT）

SEM 中電子從電子槍發(fā)射后，被加速、然后通過磁透鏡聚焦，最終以點的形式照射到樣品上。點的寬度與電子槍類型、加速電壓等有關，最細可達到 1 nm。逐點掃描并收集二次電子或背散射電子，掃描樣品的同時，顯示屏逐步顯示圖像。圖4 中的關鍵部件是電子探測器。目前探測器的種類繁多。根據(jù)種類不同，可以區(qū)分二次電子和背散射電子。

3
二次電子成像和背散射成像原理與差異

電子進入樣品后，一部分散射、一部分被吸收、還有一部分透射。被散射電子中，角度大而被散射回去的部分稱為背散射電子。這部分電子用于成像就叫背散射成像。背散射有分為兩大類：彈性背散射和非彈性背散射。彈性散射不損失能量，只改變方向。非彈性散射不僅改變方向，還損失能量，如圖5b 所示。

▲圖5 圖片來源于掃描電子顯微學（PPT）

樣品本身的電子吸收能量后，可能發(fā)生很多變化。其中原子外層的電子可能被電離，從而逃逸、形成二次電子，如圖5a 所示。如果從能量的角度考慮，彈性背散射電子能量最大（等于入射電子能量 Eo），非彈性散射電子能量較?。ǚ植挤秶鷮挘?，二次電子的能量最?。?/span><50 ev），如圖6 所示。

▲圖6 圖片來源于掃描電子顯微學（PPT）

二次電子能量小，樣品中絕大部分二次電子被再次吸收，從而很難從樣品中逃逸出來，只有淺表層原子的二次電子才能逸出。所以二次電子能夠很好的反映材料的形貌，受厚度干擾少。背散射電子同樣可用于成像。因為背散射電子穿透能力強，深入樣品內(nèi)部，再被反射回來。所以其成像能力沒有二次電子好。但是因為背散射電子的強度和原子質(zhì)量直接相關（圖7），所以背散射電子可用來區(qū)別不同元素。

▲圖7 圖片來源于《Scanning Electron Microscopy and X- Ray Microanalysis》

4
形貌襯度與成分襯度的特點與用處

一張 SEM 圖中，通常會有些區(qū)域暗，有些區(qū)域亮。這些亮度的不同主要來自于兩類襯度：形貌襯度和成分襯度。如果是純物質(zhì)單組份樣品，其 SEM 圖中傾斜度比較大的側(cè)面會比較亮。以δ表示二次電子的產(chǎn)率，其與傾角成正相關，如圖8 所示。這種因為傾角不同而造成的明暗差異稱為形貌襯度。

▲圖8 圖片來源于《掃描電鏡與能譜分析技術(shù)》

上文已經(jīng)提及背散射電子的數(shù)量和原子序數(shù)有關聯(lián)。這一關聯(lián)引起了所謂的成分襯度。在同一平面上，原子序數(shù)越大，背散射電子越多，最終的圖像就越亮，如圖9所示。利用這一特點可以判斷樣品內(nèi)相應區(qū)間原子序數(shù)的差別，也可進行微區(qū)成分分析。

▲圖9

圖片來源于Nano Letter ASAP :"Growth of Catalyst-Free Epitaxial InAs Nanowires on Si Wafers Using Metallic Masks"

5
為什么 SEM 圖看起來立體感很好——何為景深？

比較 SEM 圖和普通光學顯微照片或者 TEM 照片，會發(fā)現(xiàn) SEM 圖看上去更具立體感。一個很重要的原因是SEM 景深好。對于景深，有明確的定義和解釋，具體請參考《掃描電鏡工作原理和結(jié)構(gòu)》這本書（P24-26 頁）。個人理解景深其實就是樣品在豎直方向的成像能力?？梢耘c分辨率比較：粗略的認為分辨率是在水平方向上的分辨能力。景深剛好與分辨率相對應，是豎直方向上的分辨能力（喜歡攝影和玩單反的朋友應該對景深比較了解，請賜教）。圖10 中 b 點為電子束匯聚點，a 點和 c 點分別位于 b 點的上方和下方。圖中D 即為景深。

▲圖10 圖片來源于《掃描電鏡與能譜分析技術(shù)》

其中 D 的表達式如圖11 所示：

▲圖11 圖片來源于《掃描電鏡與能譜分析技術(shù)》

圖11 中 M 為放大倍數(shù)、α為孔徑角，根據(jù)圖11 中的表達式可知：可以通過調(diào)節(jié)孔徑角和放大倍數(shù)來調(diào)節(jié)景深。表征時放大倍數(shù)常被固定，無法調(diào)節(jié)，所以電子束孔徑角是唯一可調(diào)的參數(shù)。