В данной статье представлены механизмы возникновения, характеристики и практические применения двух важнейших сигналов в сканирующей электронной микроскопии — обратнорассеянных электронов (BSE) и вторичных электронов (SE). Сначала на основе рассмотрения упругого и неупругого рассеяния электронов при их взаимодействии с образцом изложены основные процессы формирования этих сигналов. Затем подробно проанализированы внутренние связи и ключевые различия между обратнорассеянными и вторичными электронами: механизмы их генерации, распределение по энергии и пространству, а также характер информационных особенностей. В заключении на основе реальных примеров показаны преимущества и недостатки каждого из этих типов электронов при исследовании различных образцов, что служит теоретической основой для выбора оптимальных параметров последующего анализа на сканирующем электронном микроскопе.

Технология сканирующей электронной микроскопии, являясь важным методом характеристики образцов на микро‑, интерфейсном и наноразмерном уровнях, широко применяется в таких областях, как материаловедение, биология и других. Среди различных детектируемых сигналов СЭМ наиболее распространёнными и наиболее значимыми являются электроны обратного рассеяния и вторичные электроны. Понимание механизмов их возникновения и характерных особенностей позволяет более эффективно настраивать последующие параметры, что, в свою очередь, обеспечивает получение сканирующих электронных изображений более высокого качества.

I. Обзор взаимодействия электронного пучка с образцом

Когда высокоэнергетический электронный пучок падает на поверхность образца и сканирует её, он взаимодействует с атомами образца, вызывая сложные упругие и неупругие процессы рассеяния. Первые преимущественно связаны с взаимодействием пучка с ядрами атомов образца: при этом падающие электроны испытывают значительное отклонение по углу, но практически не теряют энергии; вторые — с внешними электронами атомов образца: в этом случае траектория падающих электронов отклоняется относительно незначительно, однако наблюдается существенная потеря энергии. Эти два типа сложных динамических процессов совместно приводят к постепенной потере кинетической энергии падающих электронов и к возникновению различных детектируемых сигналов.

С точки зрения классификации детектируемых сигналов, электроны, связанные с упругим рассеянием, называются обратнорассеянными электронами; электроны, возникающие в результате неупругого рассеяния, — вторичными электронами; кроме того, существуют рентгеновские лучи непрерывного и характерного спектров. Эти сигналы содержат информацию о морфологии образца, его элементном составе, кристаллографической ориентации и других аспектах. При этом обратнорассеянные электроны и вторичные электроны являются двумя наиболее широко используемыми и важнейшими типами сигналов в сканирующей электронной микроскопии.

Рис. Жизненная аналогия упругого и неупругого столкновений

Рис. Упругое и неупругое рассеяние электронов на атомах

II. Электроны обратного рассеяния и их характеристики

Когда падающие электроны, испытывая значительное рассеяние под действием ядер атомов образца, вновь выходят за пределы образца, их называют обратнорассеянными электронами. Поскольку вероятность взаимодействия с ядрами тяжёлых элементов велика, обратнорассеянные электроны чутко реагируют на присутствие тяжёлых элементов; кроме того, плотность атомных плоскостей различается в зависимости от ориентации кристалла, что обусловливает направление‑зависимость вероятности обратного рассеяния. Таким образом, обратнорассеянные электроны несут информацию о распределении элементов и о кристаллографической ориентации в образце.

Конкретно говоря, генерация обратнорассеянных электронов связана со следующими факторами:

(1) Расстояние между падающим электроном и ядром атома; при приближении к ядру вероятность обратного рассеяния возрастает.

(2) Атомный номер; у ядер тяжёлых элементов «сопротивление» велико, поэтому вероятность обратного рассеяния возрастает.

(3) Кристаллографическая ориентация; при различных ориентациях плотность атомных плоскостей различна, а значит, и вероятность обратного рассеяния отличается.

(4) Поверхностная морфология; наклонные поверхности или края могут сокращать путь движения падающих электронов, повышая вероятность обратного рассеяния.

Рис. Интенсивность BSE, полученная в различных направлениях, и алгоритм суммирования

Как следует из вышесказанного, обратнорассеянные электроны в значительной степени отражают распределение элементов в образце и информацию о кристаллографическом ориентировании.

Соответственно, некоторые ключевые характеристики обратнорассеянных электронов включают:

(1) Высокая энергия и широкий диапазон (50 эВ — энергия падающих электронов);

(2) Образует глубокий фокус, достигающий 1 микрона в толще образца;

(3) Направленное распределение не обладает особым предпочтением в каком‑либо направлении.

Рис. Механизм и особенности возникновения электронов обратного рассеяния

III. Вторичные электроны и их характеристики

Когда падающие электроны передают часть своей кинетической энергии электронам, находящимся вблизи поверхности образца, и те, освободившись от ядра атома, становятся свободными электронами, такие свободные электроны называются вторичными электронами.

Вторичные электроны тесно связаны со следующими факторами:

(1) Расстояние между падающими электронами и поверхностью образца; чем ближе к поверхности, тем выше вероятность возникновения.

(2) Поверхностная морфология; наклонные склоны или краевые структуры повышают вероятность эмиссии вторичных электронов.

(3) Поверхностное электрическое поле; локальное электрическое поле может изменять траекторию вторичных электронов, тем самым влияя на эффективность детектирования.

Рис. Зависимость выхода продукта SE от атомного номера Z

Как следует из вышесказанного, вторичные электроны в основном отражают локальное состояние поверхности образца и являются важным сигналом для оценки его морфологии.

Некоторые ключевые характеристики вторичных электронов также включают:

(1) Энергия низкая (<50 эВ), при этом большая часть находится ниже 10 эВ;

(2) Глубина выхода крайне мала — порядка 10 нм;

(3) Направленное распределение не обладает чёткой направленностью.

Рис. Механизм и особенности образования вторичных электронов

Как видно из вышесказанного, обратнорассеянные электроны и вторичные электроны не обладают чётко выраженной направленной распределённой структурой. Однако между ними существуют значительные различия по энергетическим характеристикам и глубине регистрации: первые — высокоэнергетические с широким спектром, вторые — низкоэнергетические и локализованные; информация от первых поступает из глубоких слоёв, тогда как вторичные электроны дают преимущественно сведения о крайне поверхностном слое. Именно эти различия позволяют им взаимно дополнять друг друга, отражая состав и морфологию образца.

IV. Практическое применение и сложность механизма формирования

В простых случаях можно руководствоваться приведённым выше пониманием при настройке параметров. Однако на практике всё чаще оказывается гораздо сложнее:

(1) Вторичные электроны также связаны с глубинным составом образца;

(2) Электроны обратного рассеяния также связаны с морфологией поверхности;

(3) Эти два явления взаимно преобразуются и трудно поддаются чёткому разделению;

(4) Сила сигнала также зависит от места измерения.

В качестве примера рассмотрим анализ поперечного сечения топливного элемента. При использовании вторичных электронов и обратнорассеянных электронов в одном и том же участке наблюдаются существенные различия в результате: последний метод предоставляет более богатую информацию об элементном составе и ориентации, тогда как первый лучше выявляет детали морфологии.

Рис. Визуализация топливного элемента с использованием различных изображающих сигналов

Из этого следует, что механизмы образования и характеристики вторичных электронов и обратнорассеянных электронов не являются постоянными и тесно зависят от изменений условий регистрации; их оптимизацию следует осуществлять с учётом конкретных экспериментальных условий. В целом же вторичные электроны лучше отображают морфологию образца, тогда как обратнорассеянные электроны — его состав и структуру.

V. Краткое заключение

Как видно из приведённого выше обсуждения, механизмы возникновения и характерные особенности обратнорассеянных электронов и вторичных электронов далеко не так однозначны, как это предполагается в простых теоретических моделях. Между ними наблюдается значительное взаимопревращение и перекрытие; при этом их характеристики подвержены сложной зависимости от условий регистрации и параметров прибора. В целом же обратнорассеянные электроны лучше отражают информацию об элементном составе образца и его ориентации, тогда как вторичные электроны более эффективно передают морфологию образца и структуру его поверхности. Понимание процессов их формирования, а также соответствующих преимуществ и недостатков, играет важную роль в проектировании и оптимизации последующих экспериментов на сканирующем электронном микроскопе.

Столешный сканирующий электронный микроскоп ZEM20 компании ZEPTOOLS

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда компания приступила к разработке электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время в компании работают… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑пьезо‑столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с датчиком линейного перемещения Ряд продуктовых линеек, включая …, пользуются широким признанием как на внутреннем, так и на международном рынках, заполняя многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑точных измерительных приборов.