SEM图像的解读-2

 

SEM图像的解读-2 衬度

 

前言

 

样品在微观上存在形貌、成分、导电性和晶体学取向特征，如形态学尺寸、不同的元素成分、不同导电性以及不同的晶粒取向等，它们会导致信号电子产额和分布的不同，这在专栏5中从原理和微观层面已经论及。在扫描电镜的黑白图像中，这些差别会表现为不同区域明暗（灰度）不同，即存在灰度值的对比。图像中这种差别即为衬度。正是由于衬度的存在，图像能给我们提供有意义的信息。

 

本文先讲述衬度的定义，再从信号角度论及衬度的产生机制，然后由样品特征出发列举常见的四种衬度，即形貌、成分、取向和电位衬度。

 

1 衬度的定义

 

电镜图片怎样反映样品的特征？答案是：不同的特征在图片上有不同的灰度，这种灰度差别，或者信号强度的差别就是衬度。因此衬度也有很多别称，衬比度，对比度，反差等等。衬度的定义见图1。

 

图1 衬度的定义

 

在图1中，两处明暗区域的信号强度分别为Smax和Smin，则图像的衬度C定义为：

C=(Smax-Smin)/(Smax+Smin)

=△S /(Smax+Smin)

由关系式可知，0≤C≤1：当C=0时，两个区域强度一样，不能被分辨；当C=1时，两个区域的区别最大（如一黑一白）；通常情况下0

一言以蔽之，衬度就是图片上的明暗对比，就是反差；有衬度，图像有明暗区域，才能给我们以信息，揭示微观特征。

 

2 衬度产生的机制

 

既然衬度是信号强度（图像灰度）的比较，我们就需要知道衬度的产生机制，去探寻不同区域强度不同的原因。不同特征对信号电子的数量、角度和能量分布有不同的影响。比较强度的差异，我们可识别出样品微区的形貌、成分或取向的差别。

生活中的图像肯定也有各种原因带来的衬度：反射率不同带来的（如镜子上的脏物），光线方向带来的（如建筑物的阴影），吸收率带来的不同颜色，等等。类似地，由信号角度考虑，扫描电镜的衬度也有几种产生机制：

1) 信号电子数量的差别。即图像中接收信号电子数量多的区域亮度高，反之则暗，这是最主要的机制。比如成分/取向/电位/形貌等因素导致信号产额变化，导致各种衬度的产生。

2) 信号电子的轨迹，以及相对探测器的朝向的差异。形貌往往会导致这种产生机制，比如样品上一个突起，背离/远离探测器的信号电子难以被探测，而迎向/靠近探测器则易于被探测，从而表现出两个区域灰度的差别。

3) 电子能量的差别。使用能量过滤或者特定的探测器时可能需以考虑，比如使用SSD探测器，重元素区域背散射电子信号产额高，信号增益也高。又比如一些镜筒内探测器可以筛选电子的能量范围。

 

图2 几种衬度机制

 

在入射电子剂量一致的情况下，电子产额的不同、在不同角度上的产额分布和产额随能量的分布，相对于探测器的方位等因素都会导致强度/灰度的不同，导致衬度出现。通过比较这些差异，即可以获知样品的形貌、成分和取向等特征。表1根据文献总结了影响信号电子数量、轨迹和能量等的因素，主要包括原子序数、加速电压、样品倾斜和晶体取向等。

 

表1 影响衬度的因素

 

通过分析图片不同区域的差别，结合对衬度产生机制的推测，可以更为准确、全面地推测出样品的特征。从样品特征处考虑，可以分出几种主要的衬度类型。

 

3 形貌衬度

 

样品在微观尺度会上存在倾斜、边缘、高低不平的区域，通过形貌衬度可以获得颗粒大小、界面、层次和凹凸等微观结构和形态的信息。利用对表面形貌敏感的信号成像获得的形貌衬度可以反映样品的形貌特征。它无疑是最重要的衬度，是我们洞察微观世界的钥匙。

熟知的生活常识中，反射光多或突出的地方亮，反射光少或低洼的地方就暗。可喜的是，电镜图片也基本如此。入射电子与样品相互作用，在样品表面和亚表面产生各种信号，信号要逃逸出样品才有可能被电子探测器探测到。探测到信号的数量与样品的形貌存在关联，大致上越易往表面扩散，信号量就越多。自然，形貌因素造成的倾斜和边缘都会影响这种扩散性，可以大致分为斜坡效应和边缘效应。另外，微观区域相对于探测器的朝向也会影响探测器接收到的信号数量，毕竟背向探测器和迎向探测器的信号数量也会存在差别，出现阴影效应。就如常识中，手电筒照射立体物体的角度会带来不同的阴影效果。

跳水时激出的水花，倾斜入水时比垂直入水时大。在电镜中，微观上由于倾斜面增加了电子束在斜面区域逃逸出表面的路径，如图3a所示。假设信号电子能够逃逸出样品的深度为S，那么越倾斜的样品（θ越大），电子束入射的距离L越大，在这个距离上产生的信号就越多。比如图3b的球形颗粒，越往边缘倾角越大，信号就越强，在最边缘处信号最强。

 

图3 形貌衬度

 

边缘效应可以视作特殊的斜坡效应，在边缘处存在接近90°的垂直角度，如图3c所示，在此边缘位置，信号电子增加了扩散的路径，更容易扩散，导致信号量剧增。

在电镜中，仓内探测器（ETD）侧置在一边，SSD/BSD（仅利用一侧的探测器）也可以选择接收一边的图像，所以现在考虑探测器的朝向对形貌衬度的反映。如图3c所示，迎向探测器的信号电子更容易被探测到，而背向探测器的信号电子则部分被阻挡，这样就造成两者信号量出现差别。这就如不同角度的电筒照射台阶，在一侧照射可见明显的阴影，这种阴影有助于立体感的获得，而垂直照射没有阴影，也有碍于立体感的获得，但边缘更清晰。

SSD/BSD（分区全开）、物镜内和镜筒内探测器都可以视做环形灯，且垂直于样品放置，所以有时没有明显的阴影效应，多少丧失了一些立体感。

 

4 成分衬度

 

在图像中由于原子序数或者说化学成分不同，导致信号强度不同而产生的衬度，即为成分衬度。成分衬度可以分为两类，一类是价键或者化学态的不同导致的，比如石墨和金刚石的衬度差异，同为碳但金刚石在图像中更亮。二次电子能够反映这种差别，但是规律很复杂，而且因为价键或化学态的不同也容易导致导电性的差异，所以可归为电位衬度。所以，根据化学态或导电性也可以判别成分，这方面使用低加速电压的物镜内探测器有特别的优势。

另一类更为常用也更容易解释，也存在单调的规律，那就是原子序数导致的衬度差别（这种衬度往往也指代成分衬度），往往是原子序数大图像就亮，如图4所示。在这方面，背散射电子信号最为直接和可靠。原子核的库伦场与原子序数/元素相关。原子序数越大，原子核对入射电子的弹性散射越强，角度改变越大，最终使得背散射电子产额越大。所以图像成分衬度中的亮暗对应了平均原子序数的高低。

 

图4 背散射电子产额随原子序数的变化

 

而且，这种原子序数越大图像区域就越亮的单调性跟电压的关系较大，BSD对高能的背散射电子敏感，所以高电压下的BSD对成分衬度的反映更明显、更直接。一些镜筒内的探测器（如EsB）则更适合低加速电压条件。

 

5 取向衬度

 

对于木材，不同的纹理机械强度不同。微观上，晶体的取向也会导致信号量的差别，从而使得电镜图像能反映了晶体学信息。

假设图5的晶体是一个平整的单相多晶晶体，故不存在形貌和成分衬度，但左侧晶粒和右侧晶粒存在取向差。当电子束入射到晶体的表面，晶面是各向异性的，两个晶粒在垂直于电子束方向的原子面密度存在不同，左侧晶面原子排列较密，近表面层与电子束作用的几率大，背散射电子产额较大；右侧晶面原子排列较疏，近表面层与电子束作用的几率稍小，背散射电子产额也稍小。探测器接收到的两个晶粒背散射电子产额存在差别，在图像上就出现了衬度。

 

图5 取向衬度

 

这种由于晶体取向不同而导致的衬度，被称为取向衬度，也叫通道衬度、或晶体学衬度，这种效应也被称为通道效应。

对于经过离子束研磨或FIB制作的平整、表面无应力和无污染的样品，取向衬度很容易与成分衬度相混淆。取向衬度来源于晶体取向导致背散射电子产额的差异，成分衬度来自于不同元素带来背散射电子产额的差异，衬度来源截然不同。

取向衬度的作用类似于偏振光显微镜，不用腐蚀样品就可以看到晶界和晶粒之间是否存在取向差别；也类似于EBSD，虽不能像EBSD一样可以量化晶粒之间的取向差及进行更多精确分析，但是取向衬度对晶体缺陷比较敏感，可以作为EBSD方法的补充。

因为取向衬度比较弱且主要来自于表面，所以在电镜分析时想要观察到这种衬度，在参数上应该使用较大的束流。使用低角度的探测器效果更好，故BSD/SSD外环探测器最能反映取向衬度，其次是SE2探测器。

要想获取取向衬度，对制样也有较高要求，样品表面应平整无应力，所以电解抛光、离子研磨和FIB加工的多晶样品容易见到这种衬度，而机械磨抛较难以观察到这种衬度，因其易残留应力。

 

6 电位衬度

 

如果样品部分区域存在电位差别，必然会对信号电子的产生和探测产生影响，尤其是对于能量较低的二次电子。

一般在图像上，正电位的表面处图像灰度降低，因为低能的二次电子被电场吸引而返回样品，比如一些纳米级厚度的有机物污染。相反，负电位的表面处图像灰度增加，因为二次电子被样品表面排斥，比如样品表面处一些不导电的有机物碎屑。因此电位不同，反映在图像上也会出现不同的亮暗区域。

在荷电时，存在负电场区（图像中反常亮的区域）或正电场区（图像中反常黑的区域）。二次电子能量较低，易于受荷电场影响，所以用其做主要成像信号时容易观察到这种电位衬度。荷电场很多时候不愿看到，有时可以选择背散射电子做主要成像信号以避免。但是也有有利的方面，可以根据荷电现象区分出成分或形貌衬度差别不大，但是导体性差异巨大的物相。

除了荷电外，导致电位出现差别的原因有很多，导电体和绝缘体之间会出现电位差。图6的石墨负极由石墨和粘接剂（碳氢氧元素）组成，单纯从成分或从形貌都不易区分两者。但是石墨和粘接剂的导电性差异巨大，可以通过物镜或镜筒内探测器识别这种电位衬度。

 

图6 电位衬度实例

 

二次电子因能量低，易受电场影响，因此对电位衬度敏感。因此，以二次电子为主的物镜内探测器容易得到电位衬度的图像，比如一些有机脏污更容易被观察到。反面就是，它对荷电更敏感，有时需要用相对不敏感的仓内探测器ETD来成像。对于一些镜筒内探测器（如EsB），如果设置偏压低于50 eV，也会接收高角度的二次电子，能够反映电位衬度。如果不想被荷电或电位衬度干扰，使用背散射电子为主的探测器则可以选用，比如BSD/SSD，能量过滤的镜筒内探测器，设置负偏压的仓内探测器等。

总之，衬度的产生机制非常复杂，衬度的类型也比较多样。图像衬度还受设置参数和探测器布置的影响。但毋庸置疑，即使对于非专业人士，扫描电镜的图像也易于解读，尤其是对于形貌衬度，专栏下一篇文章将会揭示电镜图像和我们直觉存在联系的缘由。

 

精彩回顾

 

专栏14：SEM图像解读-1

专栏13：扫描电镜的眼睛-2

专栏12：扫描电镜的眼睛

专栏11：扫描电镜高手打怪的必经之路

专栏10：如何拍出更精准的样品原貌图？

专栏9：为什么你拍的SEM图像不清晰？

专栏8：扫描电镜高手进阶之路

专栏7：手把手教你操作扫描电镜

专栏6：如何拍出高清图像

专栏5：SEM的信号3

专栏4：SEM的信号2

专栏3：SEM的信号1

专栏2：SEM的工作原理

专栏1：扫描电镜概述

 

参考文献

 

(1) 施明哲. 扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术[M]. 电子工业出版社, 2015.

(2) 张大同. 扫描电镜与能谱仪分析技术[M]. 华南理工大学出版社, 2009.

(3) 高尚，杨振英，马清，等. 扫描电镜与显微分析的原理、技术及进展[M]. 广州: 华南理工大学出版社，2021.

(4) Reimer L. Scanning Electron Microscopy — Physics of Image Formation and Microanalysis, 2nd [M]. Springer, 1998.

(5) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 3rd[M]. Springer, 2003.

(6) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 4th[M]. Springer, 2018.

(7) Ul-Hamid, A. A beginners' guide to scanning electron microscopy[M]. Springer, 2018.

(8) Suga M, Asahina S, Sakuda Y, et al. Recent progress in scanning electron microscopy for the characterization of fine structural details of nano materials[J]. Progress in Solid State Chemistry, 2014, 42(1): 1-21.

(9) Xing Q. Information or resolution: Which is required from an SEM to study bulk inorganic materials?[J]. Scanning, 2016, 38(6): 864-879.

(10) Liu Zheng, Fujita Nobuhisa, Miyasaka Keiichi,et al. A review of fine structures of nanoporous materials as evidenced by microscopic methods[J]. Microscopy, 2013(1):109-146

 

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