掃描電鏡分析樣品表面的深度是多少

最近，有鑠思百檢測(cè)電鏡用戶詢問(wèn)關(guān)于電子束分析樣品時(shí)可以穿透樣品的深度的問(wèn)題，這里小編將為大家詳細(xì)介紹一下。

掃描電鏡是利用聚焦電子束進(jìn)行微區(qū)樣品表面形貌和成分分析，電子從發(fā)射源（燈絲）經(jīng)光 路系統(tǒng)最終到達(dá)樣品表面，電子束直徑可到 10nm 以下，場(chǎng)發(fā)射電鏡的聚集電子束直徑會(huì)更小。

聚焦電子束到達(dá)樣品表面會(huì)激發(fā)出多種物理信號(hào)，包括二次電子 (SE)，背散射電子 (BSE)， 俄歇電子 (AE)、特征 X 射線 (X-ray)、透射電子 (TE) 等。

• 二次電子 信號(hào)主要來(lái)自樣品表面，其深度范圍 10 nm ，成像具有較高分辨率，能夠很好的反映樣品形貌特征。

• 背散射電子 是入射電子被樣品原子核反彈回來(lái)的部分電子，電子能量較高，信號(hào)深度范圍可到 2 μm。

• X 射線 可以從樣品較深的位置出射，其深度范圍可到 5 μm。

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圖 1 不同樣品信號(hào)深度

聚焦電子束按一定方向入射到樣品上，電子會(huì)受到材料中晶體位場(chǎng)和原子庫(kù)侖場(chǎng)作用，其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，稱散射現(xiàn)象，且該過(guò)程是隨機(jī)過(guò)程。

入射電子在樣品內(nèi)部的散射軌跡可以用 Monte Carlo 電子軌跡模型進(jìn)行模擬。聚焦電子束與樣品的作用區(qū)的形狀類似水滴形狀。根據(jù) Monte Carlo 電子軌跡模型可以推導(dǎo)出入射電子最大穿透深度 H。

H = 0.0019 (A/Z)^1.63 E0^1.71 / ρ

其中 A 為樣品原子量，Z 為樣品原子序數(shù)，E0 為入射電子能量（單位 KeV），ρ 為樣品密度。

圖 2 電子束與樣品作用區(qū)域模擬圖

聚焦電子束與樣品作用區(qū)域的大小主要與樣品原子序數(shù)、電鏡加速電壓和電子束入射角度有關(guān)。

1) 樣品原子序數(shù) 隨原子序數(shù)增大，最大穿透深度降低。

如下圖所示，當(dāng)掃描電鏡加速電壓固定，隨著樣品原子序數(shù)增加，其作用區(qū)域不斷減小。隨原子序數(shù)增大，入射電子越容易散射，更容易偏離起始方向，相互作用區(qū)域會(huì)減少，最大穿透深度也降低。

圖 3 原子序數(shù)對(duì)相互作用區(qū)域的影響

2) 電鏡加速電壓 隨著加速電壓增大，最大穿透深度增加。

如下圖所示，對(duì)同一種材料，隨著加速電壓增加 (5~25kV)，其作用區(qū)域不斷變大。分別采用 5kV、10kV、15kV，利用背散射探頭觀察碳材料，5kV 下樣品表面細(xì)節(jié)更豐富，15kV 樣品形貌有明顯穿透感。

加速電壓變大，入射電子的能量也增加，電子的穿透深度變深，電子軌跡在樣品表面變化不大，隨著電子穿透深度增加和多次散射發(fā)生，入射電子方向也發(fā)生變化，作用區(qū)域也變大。

圖 4 加速電壓對(duì)相互作用區(qū)域的影響

圖 5 背散射圖像，不同加速電壓下的碳材料形貌

3) 電子束入射角度 入射角度增大，作用區(qū)域越小。

入射電子與樣品作用區(qū)域形狀類似水滴，當(dāng)樣品表面不平或發(fā)生傾斜時(shí)，電子束作用區(qū)域亦會(huì)受到影響。

圖 6 入射電子束角度

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