背散射电子对扫描电子显微镜的成像作用

       与光学显微镜不同，扫描电子显微镜（SEM）利用电子而不是光线生成所研究样品的图像。为了理解扫描电镜的工作原理，我们必须了解背散射电子（BSEs）。

       背散射电子是高能电子，可用于获取样品各元素分布的高分辨率图像。

       为了描述背散射电子是如何发挥作用的，可以假设围绕地球旋转的小行星不受万有引力作用发生偏移回到太空。同样，当样品被原子轰击时，一些带负电的电子不受带正电的原子核吸引，被反射或“背散射”出样品。

入射电子与原子核相互作用后散射示意图

       背散射电子的产生随元素质量的不同而不同。一般来说，较重的元素其原子核更大，对入射电子的偏转作用比较轻的元素更强烈。因此，与较轻的元素（如硅，其原子序数Z=14）相比，较重的元素（如银，其原子序数Z=47）在扫描电镜成像中显得更亮，因为更多的背散射电子从样品表面射出。

扫描电镜下的太阳能电池成像，与较轻元素硅相比，较重元素银显得更亮。

       通常将探测器直接置于样品上方检测背散射电子，这种探测器由半导体材料构成（通常是硅）。撞击探测器的背散射电子激发硅电子，形成电子空穴对。半导体探测器只对高能电子敏感，因此可用于检测背散射电子。

       背散射电子产生的自由电子和电子空穴对可以在重组前被分离，从而产生电流。该电流可以通过电子电路进行测量，Z终将其转换为关于样品元素信息的高分辨率图像。

       背散射电子图像质量可以根据研究人员的目标随意调节。例如，使用更高的加速电压，电子穿透深度会增加，使得样品表面的薄膜层难以观察。如果研究人员想要研究样品表面薄膜层，就必须使用较低加速电压的入射电子束。

       5kV 和15kV加速电压下锡球样品的及其上的碳泥片背散射电子成像。碳泥片很暗，在15kV的加速电压下难以观察。

       背散射电子可用于获取样品元素的高分辨率图像。通过清楚地了解背散射电子的工作原理和操纵变量，用户可以获取高分辨率图像用于研究所需。

（来源：赛默飞世尔材料与结构分析）

自1965年第 一台商品扫描电镜问世以来，经过50多年的不断改进，扫描电镜的分辨率已经大大提高，而且大多数扫描电镜都能与X射线能谱仪等附件或探测器组合，成为一种多功能的电子显微仪器。在材料领域中，扫描电镜发挥着极其重要的作用，可广泛应用于各种材料的形态结构、界面状况、损伤机制及材料性能预测等方面的研究，如图1所示的纳克微束FE-1050系列场发射扫描电镜。

图1 纳克微束FE-1050系列场发射扫描电镜

场发射扫描电镜组成结构可分为镜体和电源电路系统两部分，镜体部分由电子光学系统、信号收集和显示系统以及真空系统组成，电源电路系统为单一结构组成。

1.1 电子光学系统

由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

1.2 信号收集

检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。1.3 真空系统

真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染，一般情况下要求保持10-4~10-5Torr的真空度。

1.4 电源电路系统

电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。

图3为扫描电镜工作原理示意图，具体如下：由电子枪发出的电子束在加速电压（通常200V～30kV）的作用下，经过两三个电磁透镜组成的电子光学系统，电子束被聚成纳米尺度的束斑聚焦到试样表面。与显示器扫描同步的电子光学镜筒中的扫描线圈控制电子束，在试样表面的微小区域内进行逐点逐行扫描。由于高能电子束与试样相互作用，从试样中发射出各种信号（如二次电子、背散射电子、X射线、俄歇电子、阴极荧光、吸收电子等）。

图3 扫描电镜的工作原理示意图

这些信号被相应的探测器接收，经过放大器、调制解调器处理后，在显示器相应位置显示不同的亮度，形成符合人类观察习惯的二维形貌图像或者其他可以理解的反差机制图像。

由于图像显示器的像素尺寸远大于电子束斑尺寸，且显示器的像素尺寸小于等于人类肉眼通常的分辨率，显示器上的图像相当于把试样上相应的微小区域进行了放大，而显示图像有效放大倍数的限度取决于扫描电镜分辨率的水平。

早期输出模拟图像主要采用高分辨照相管，用单反相机直接逐点记录在胶片上，然后冲洗相片。随着电子技术和计算机技术的发展，如今扫描电镜的成像实现了数字化图像，模拟图像电镜已经被数字电镜取代。

扫描电镜是科技领域应用最多的微观组织和表面形貌观察设备，了解扫描电镜的工作原理及其应用方法，有助于在科学研究中利用好扫描电镜这个工具，对样品进行全面细致的研究。

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