二次电子 vs 背散射电子

来源：材料科学与工程

1.二次电子和背散射电子信号的收集和显示

信号收集和显示系统包括信号探测器，即前放、功放和显示装置，其作用是检测试样在入射电子的激发下产生的各种电子信号，这些信号经多级放大后作为显示系统的调制信号，最后在荧屏上得到反映该试样表面特征的扫描图像。

检测二次电子和背散射电子时，理论上都可以用闪烁体加光电倍增器所组成的传统E-T 二次电子探测器来进行探测、成像。因该探测器前端的栅网上加有从-150〜+300V (个别电镜为-250〜+400V)的可调电位。若栅网上加正电位，则探测器接收二次电子，当栅网上加+300V时，吸引来的二次电子经闪烁体前面的高压加速，入射到闪烁体上的荧光层，荧光层受激发便会发光产生光信号，光信号沿着光导管传送到光电倍增管，把光信号转换成电信号并进行倍增放大，再输给预放大器，最后经功率放大就成为显示屏中的视频图像。若栅网上加负电位，则负电位会排斥低能二次电子，只能让高能的背散射电子通过。这些背散射电子入射到闪烁体上的荧光层，荧光层受激发产生的光电信号经转换并倍增放大，最后同样成为显示屏中的视频图像。这就是用传统E_T探测器来对SE和BSE进行检测、成像的大致过程。

2.二次电子探测器

传统的二次电子探测器(SED)主要用于收集被高能人射电子所激发而从试样表面发射出来的二次电子，变成显示屏上图像信号的重要部件。1956年，英 国的史密斯(Smith)在扫描电镜中首先采用光电倍增管的组合来检测二次电子，但是当时二次电子的收集效率低，得到的信噪比（S/N)很差。后来，Everhart和Thornley两人对这种探测器进行了改进，釆取了先让入射进来的二次电子加速到约 10kV的能量再打到闪烁体上，并将闪烁体直接贴到光导管的前端，然后再让光信 号进入光电倍增管。关注微信公众号:材料基，学习更多知识技能。这样的组合优化和完善了这种二次电子探测器的结构，显著提高了二次电子的接收效率，明显改善了图像的信噪比，所以现在人们就把这种改进 过的二次电子探测器称为Everhart-Thornley (简称E-T)探测器，它也成为当今扫描电镜中必备的传统二次电子探测器。

这几年来，高分辨的场发射扫描电镜中不仅都安装有这种E-T型的二次电子探 测器，而且还会加装透镜内（In-lens)或穿过透镜（TLD)的二次电子探测器，这 又是一种具有光学与光电倍增管结合的高效闪烁体的探测器。用这类探测器可以提 高二次电子的收集率并能进一步改善图像的信噪比和分辨力，特别是对低加速电压 时的分辨力能得到明显提高。环境扫描和低真空或可变真空的电镜一般还会再另外 配备专用在环境扫描或低真空条件下作为收集二次和背散射电子信号的专用探测器。

3.二次电子像的性质

二次电子是相对于入射电子的一种提法。它是指被高能入射（也称为一次或初 次）电子束轰击出来的试样中的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子那里获得大于相应的结合能后，就可脱离原子核 的约束而成为自由电子。如果这种脱离过程发生在试样表面和亚表面层，那么这些 能量大于材料逸出功的电子就可以从试样表面逸出，就成为二次电子。二次电子主 要是来自于距试样表面1〜10nm之间深度的亚表面（试样表面0〜1nm之间深度发出的电子主要为俄歇电子），二次电子能量在0〜50eV之间，平均能量约30eV，所以这些二次电子能很好地显示出试样表面的微观形貌。

由于入射电子仅经过几纳米 的路径，还没有被多次反射和明显扩散，因此在入射电子照射的作用区内产生的二 次电子区域与入射束的朿斑直径差别不大，所以在同一台电镜中二次电子像的分辨 能力最高。关注微信公众号:材料基，学习更多知识技能二次像的分辨力优于背散射像，背散射像的分辨力优于吸收电流像，吸收电流像的分辨力优于阴极荧光像。目前场发射和钨阴极电镜的最佳二次电子像的 分辨力都能分别优于l.0nm和3.0nm。一般情况下，商品扫描电镜的指标中所提及的图像分辨力，若没有特别说明，都是泛指二次电子像的分辨力。

二次电子的发射率随原子序数的变化不是很明显，如图2所示，它主要取 决于试样的表面形貌。它是入射电子与试样中核外电子碰撞，使试样表面的核外电子被激发出来所产生的电子。当这些代表试样表面结构特征的电子被相应的探测器收集后作为扫描电镜的成像信号，其所成的像次的衬度主要取决于试样表面与入射电子束所构成的倾角，对于表面有—定形貌的试样，其形貌被看成由许许多多与人射电子細成不同倾斜角度的微小形貌，如凸点、尖峰、台阶、平面、凹坑、裂纹和孔洞等细节所组成。

这些不同细节的部位发出的二次电子数各不相同，从而产生亮暗不一的衬度。由于二次电子的能量小，用 E-T探测器检测时，仅需在其前面的栅网上加几百伏的正电位，最常施加的电位为 +250〜+300V,即通过该电位就可把试样上发射出来的大部分二次电子吸引过来，所以二次电子像的阴影效应不明显。在二次电子探测器所对应的立体角内也能接收到相应的一小部分背散射电子，所以在二次电子像中也包含了一小部分背散射电子 的信息，如图2中对应的背散射电子成分像的一些衬度信息也能在图1中反映出来，只不过图1中所显现的原子序数的衬度没有像图2中那么明显而已。

图1 铅锡焊料的二次电子像

图2 与图1对应的背散射电子成分像

二次电子的能量低，受局部电场的影响变化大，如图3所示的灰尘颗粒在电子束的照射下因充了负电子而发白，在这发白的颗粒周围感应了正电荷，而感应了正电荷的区域导致二次电子的发射量减小，使灰尘颗粒周围明显变暗。而与其相对应的背散射像如图4中的灰尘颗粒一样自身并不变白’其周围虽然也照样存 在感应的正电荷，但该颗粒四周并没有明显变暗，这说明背散射电子的能量较高，它受局部电场变化的影响不明显。关注微信公众号:材料基，学习更多知识技能由于二次电子像分辨力高、阴影效应不明显、景深深、立体感强，所以它是扫描电镜中最主要的成像方式。它特别适用于观察和分 析起伏较大的粗糙面，如金属、陶瓷和塑料等材料的断口，所以在材料学科中扫描电镜得到了广泛应用。

图3 电阻端头上的灰尘颗粒充电发白，四周变暗

图4 与图3对应的背散射电子像

来源：china_microscope，材料基