SEM的信号1，
背散射电子和二次电子
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前言
光照射到样品上会被吸收和反射。接受从物体反射来的光线，人眼才能看到物体的图像。对电镜来说，把电子束聚焦到样品表面，激发并探测信号才能获知形貌、成分或结构的信息。所以电子束与样品的相互作用非常重要，产生什么信号、信号的特点和用途需要认真考虑。本栏主要介绍电子束与样品的相互作用、几种信号电子的产生机理和特点。
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弹性散射和非弹性散射
电子与样品的相互作用的具体物理过程非常复杂，理论深度很高。为了理解，本文会简化论述，化繁为简，不涉及散射截面、阻止能力等等抽象术语，而由形象和简单入手，如入射电子与样品的相互作用简化为入射电子与孤立原子的相互作用。
首先回顾下原子结构的经典模型：在原子中，带正电的原子核位于中心，环绕的是带负电的核外电子；核外电子按不同能级占据了不同的轨道，粗分为内层电子和外层电子。相较于轻元素，重元素的原子核质量更大，质子数更多，其正电势更强，同时外层电子也更多。同时，入射电子是质量小且带负电的粒子，当它靠近原子核和核外电子时，受原子核或核外电子的库伦场作用，运动方向会发生偏转。
入射电子与原子相互作用，受到原子的库伦场作用而发生角度改变，这被称为散射，有时也被形象地称为“碰撞”。石子击中钢铁和淤泥，石子受到的阻力和运动轨迹不同，可以分为弹性碰撞和非弹性碰撞，见图1。当石子受弹性碰撞时（击中钢铁），它会发生较大的方向改变但是速度几乎不变；当石子受非弹性碰撞时（击中淤泥），它方向变化不大但是速度明显下降。
图 1 弹性碰撞和非弹性碰撞的生活类比
对于某个散射过程，依据入射电子有无较大的能量损失，电子的散射也可以细分为弹性散射和非弹性散射，见图2。
弹性散射：入射电子接近原子核时，它与原子核相互作用，因原子核的质量远大于电子，作用后原子核的动能变化可以忽略不计，根据能量守恒，入射电子能量损失很小，只是方向发生了变化（角度通常只有几度），这种作用属于弹性散射。
非弹性散射：如果入射电子接近核外电子，它与原子的核外电子等相互作用，入射电子既有能量损失，又有方向改变（角度通常较小，0.1度或更小）还可能产生二次过程，比如激发核外电子。
图 2 电子-原子作用的弹性散射和非弹性散射
在入射电子与样品相互作用过程中，弹性散射和非弹性散射同时存在：弹性散射使入射电子不断改变方向，在样品中扩展轨迹或逃逸出样品表面，非弹性散射使入射电子不断损失能量，“撞出”电子或发射电磁辐射。在样品内部，入射电子释放能量的轨迹构成了一个作用的区域，即作用区。
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电子样品相互作用之各种信号
一滴水落入湖面，由于水滴的动能和湖水的张力，会看到溅出的水花和激起的涟漪。当电子束入射到样品表面时，由于电子束带有电荷和很高的动能，电子束与样品相互作用也会产生各种可被探测的信号，比如扫描电镜常用的背散射电子、二次电子和特征X射线。它们具有不同的能量、作用范围及其他特点，并能反映出样品的形貌、元素、取向和电位的信息。理解这三种主要信号的产生机制和特点，对我们解释图像和按需设置参数不无裨益。
2.1 背散射电子和透射电子
对于块状样品，电子与样品可能较少次接触就反向离开了样品表面，也可能要经历多次的散射过程，要么损失全部能量而停止，要么保有部分能量离开样品表面。这种受到原子散射，（相对入射方向）反向的入射电子被称为背散射电子（Backscattered electrons，常缩写为BSE）。BSE英文寓意即被背向-散射-电子：与样品作用，被散射后背向或改变方向，离开的入射电子。
图 3 背散射电子的产生机理和特点
从物理理论和概率上讲，入射电子垂直入射样品，在单次弹性散射过程中，入射电子的角度改变很小，见图3a；散射后它会继续深入样品，发生多次的散射过程，可能伴有非弹性散射和能量损失；经过多次散射并走过了较长路程后，有些入射电子会丧失几乎全部能量，也有部分会逃逸出表面，见图3b所示。虽然概率相对较小，背散射电子也可能经历了较少次作用，改变方向较大但是能量损失较小，在逃逸出表面时仍拥有较高的能量，见图3c所示。以上解释说明背散射电子的能量分布宽、作用的区域大。实践中往往把大于50 eV，小于入射电子能量的信号电子定义为背散射电子。
原子核的库伦场强度与原子序数/元素相关，原子序数越大，原子核对入射电子的弹性散射就越强，使其发生“被背散射”的概率加大。读者可以对比图3a和e，c和f获得直观认识。再稍延申一下，对于多晶体的不同晶面，取向不同原子面密度也不同，电子“被背散射”的概率也不同。因此背散射电子具有显著特点：反映原子序数/元素信息（也常被称为成分信息）或者晶体取向信息。另外，见图3d所示，如果样品表面有斜坡或边缘，也缩短了入射电子的路程，使得其更容易逃逸而变成背散射电子，所以背散射电子也可以反映形貌信息。
对于薄样品（几十到上百纳米厚度），有些入射电子可能会穿过样品，变成透射电子。因为样品较浅，入射电子的散射过程较少，弹性散射较少导致轨迹扩展小，非弹性散射较少导致能量损失小，所以透射电子作为信号往往是高分辨信号，SEM的STEM探测器采集的图像往往可以实现很高的分辨率。
对于块体而言，大部分背散射电子会经历非弹性散射过程导致能量损失，在非弹性散射过程中入射电子和背散射电子都会损失能量，其中二次电子和X射线的产生是重要的能量交换过程。
2.2 二次电子
如果入射电子接近外层的核外电子，有可能把一部分能量传递给原子的外层电子，外层电子受到激发离开原子，见图4a。这类似石子砸中一棵果树，果子脱离树枝而掉落。因为是被激发样品原子的电子，相较于初次的（primary）入射，电子是二次的（second）电子，所以它称为二次电子（Secondary electron，常缩写为SE）。
图 4 二次电子的产生机理和特点。
二次电子的能量非常低，通常低于50 eV，且大部分二次电子能量低于10 eV。因为能量比较低，只有产生于近表层的二次电子才可能逃逸出样品表面，深处产生的二次电子则被吸收，见图4b。二次电子能够逃逸的距离，一般距表面约在10 nm左右。存在斜坡（如图4c）和边缘（如图4d）都增加了二次电子逃逸的概率。因此，二次电子信号反映了样品表层的形貌。
又因为能量比较低，二次电子出射后易受电场影响，在电场作用下容易改变轨迹。从利处讲，探测器加正偏压既可以吸引二次电子，对它的探测可以达到很高的效率。从弊处讲，如果样品表面存在一些不均匀的电场，该电场会影响出射二次电子的轨迹，如图4 e所示：附近存在正电场，出射的二次电子受其吸引而折回样品，最终图像上该区域较暗。这是一种荷电现象，日常中也颇多见，后续专栏会特别介绍。
2.3 特征X射线
入射电子进入样品原子后，也有可能把一部分能量传递给原子的内层电子，通常会损失超过50 eV的能量。在图5中，受入射电子的激发，在发生了非弹性散射后，内层电子（一般是K、L、M层）脱离原子的束缚形成自由电子（过程1）。这时原子处于高能量的不稳定状态，需要回到低能量的状态，一种解决方法是外层电子填补内层电子的空缺（过程2），能量以产生X射线光子的形式来释放（过程3）。这种情况下，X射线光子的能量值等于两个电子层之间的能级差，与元素相关，所以被称为特征X射线。
特征X射线是一种光，而且透过性能较强（图5 右图），所以它跟电子信号很不同，电镜需要增加能谱仪或波谱仪去接受这种信号，以得到定量的元素信息。
图 5 X射线的产生机理
除了特征X射线外，还会产生连续X射线，它是轫致辐射产生的。“轫”就是刹车的意思，“刹车”导致的辐射，寓意是入射电子受到原子的“阻力”（主要是原子核的库伦场）发生了减速，导致入射电子能量衰减。根据能量守恒，能量的差值也是以X射线的形式释放。原子的“阻力”是随机的，电子可能产生任意量的能量损失。连续X射线是能谱谱图中背底的主要来源，构成了连续的背底。
X射线和能谱技术的内容将在EDS/EBSD专栏做更详细介绍。
总结以上几种信号的机理和特征，详见表1。
表 1 不同信号的机理与特征
随之一提，虽然本文论述了电子与固体样品的相互作用，但是电子与气体、液态同样会发生以上各种作用，所以电镜需要保障真空条件，以使得电子在接触样品前不被散射。目前比较火的冷冻电镜或原位表征气液相电镜的概念依然遵循物理规律，只是在表征含水样品时使用了冷冻使其变成固体，或者使用特殊装置隔绝电镜的真空而使样品处于低真空的状态。
知道这些好像已经让我们懂得了很多，但是在实践中还远远不够，很多疑惑还需要继续释疑，比如为什么不同参数下的图像会不同，不同探测器反映的特征不同。二次电子和背散射电子没有那么简单，它们彼此联系，又可以具体细分，下个栏目将进一步介绍，将表格3-1变得更为复杂而贴近实际。
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实践中的背散射电子和二次电子图像
在分析表征中，我们要经常根据表征目的选择主要成像信号：如果以形貌为主那么就选择对其敏感的信号电子，比如二次电子；如果以元素或取向差别为主就选择背散射电子。以下为美信检测案例。
图6为燃料电池截面，可以清晰地看出两种信号对同一区域不同特征的不同反映能力。背散射电子在反映元素成分和取向差别上见长，重金属区域亮度明显，晶体取向的差别也较为清晰。二次电子在形貌反映上见长，可以清晰地看出刻痕等细节，对边缘的反映能力也更强。但是，有时对特征的反映还取决于样品相对于探测器的位置，后续将涉及。
图6 使用不同成像信号对燃料电池成像
有些扫描电镜或双束电镜也配置STEM探测器，它使用透射电子做成像信号，在对纳米颗粒的反映也令人印象深刻。图7为碳管上贵金属纳米颗粒的图像。几纳米的颗粒，在通常的图像中如星若晕，在这里也能纤毫毕现。
图7 使用透射电子成像
参考文献
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