導讀：
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(lái)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。
前幾期內容介紹了透射電子顯微鏡（TEM），本期開(kāi)始扒一扒TEM的好基友掃描電子顯微鏡（SEM）。
1、SEM與TEM的殊與同？
無(wú)論是SEM還是TEM，其主要目的都是成像。光與物體作用，使其呈現于人眼；在SEM/TEM中，電子取代光，與物體相互作用，使其呈現于屏幕。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）。
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(gè)不太恰當的比喻：在陽(yáng)光下，你既可以看到大樹(shù)，也可以看到大樹(shù)的影子。大樹(shù)好比SEM成像；大樹(shù)的影子好比TEM成像。顯而易見(jiàn)，影子雖然也能反映大樹(shù)的外形，但是大樹(shù)原型更加立體，可觀(guān)。如圖2所示：
2、SEM的成像原理和基本構造
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(gè)很大的不同之處）。SEM的整體外形圖和構造圖如圖3和圖4所示。
 SEM中電子從電子槍發(fā)射后，被加速、然后通過(guò)磁透鏡聚焦，最終以點(diǎn)的形式照射到樣品上。點(diǎn)的寬度與電子槍類(lèi)型、加速電壓等有關(guān)，最細可達到1 nm。逐點(diǎn)掃描并收集二次電子或背散射電子，掃描樣品的同時(shí)，顯示屏逐步顯示圖像。圖4中的關(guān)鍵部件是電子探測器。目前探測器的種類(lèi)繁多。根據種類(lèi)不同，可以區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(jìn)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(chēng)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(lèi)：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。
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?。?lt;50 ev），如圖6所示。
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(lái)，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，深入樣品內部，再被反射回來(lái)。所以其成像能力沒(méi)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(guān)（圖7），所以背散射電子可用來(lái)區別不同元素。
4、形貌襯度與成分襯度的特點(diǎn)與用處
一張SEM圖中，通常會(huì )有些區域暗，有些區域亮。這些亮度的不同主要來(lái)自于兩類(lèi)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面會(huì )比較亮。以δ表示二次電子的產(chǎn)率，其與傾角成正相關(guān)，如圖8所示。這種因為傾角不同而造成的明暗差異稱(chēng)為形貌襯度。
上文已經(jīng)提及背散射電子的數量和原子序數有關(guān)聯(lián)。這一關(guān)聯(lián)引起了所謂的成分襯度。在同一平面 上，原子序數越大，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(diǎn)可以判斷樣品內相應區間原子序數的差別，也可進(jìn)行微區成分分析。
5、為什么SEM圖看起來(lái)立體感很好——何為景深？
比較SEM圖和普通光學(xué)顯微照片或者TEM照片，會(huì )發(fā)現SEM圖看上去更具立體感。一個(gè)很重要的原因是SEM景深好。對于景深，有明確的定義和解釋?zhuān)唧w請參考《掃描電鏡工作原理和結構》這本書(shū)（P24-26頁(yè)）。個(gè)人理解景深其實(shí)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(diǎn)為電子束匯聚點(diǎn)，a點(diǎn)和c點(diǎn)分別位于b點(diǎn)的上方和下方。圖中D即為景深。
其中D的表達式如圖11所示：
來(lái)源：研之成理
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