扫描电镜分析样品表面的深度是多少

最近，有飞纳电镜用户询问关于电子束分析样品时可以穿透样品的深度的问题，这里小编将为大家详细介绍一下。

扫描电镜是利用聚焦电子束进行微区样品表面形貌和成分分析，电子从发射源（灯丝）经光路系统最终到达样品表面，电子束直径可到 10 nm 以下，场发射电镜的聚集电子束直径会更小。

聚焦电子束到达样品表面会激发出多种物理信号，包括二次电子（SE），背散射电子（BSE），俄歇电子（AE）、特征 X 射线（X-ray）、透射电子（TE）等。

· 二次电子 信号主要来自样品表面，其深度范围 10 nm ，成像具有较高分辨率，能够很好的反映样品形貌特征。

· 背散射电子 是入射电子被样品原子核反弹回来的部分电子，电子能量较高，信号深度范围可到 2 μm。

· X 射线 可以从样品较深的位置出射，其深度范围可到 5 μm。

图1 不同样品信号深度

聚焦电子束按一定方向入射到样品上，电子会受到材料中晶体位场和原子库仑场作用，其运动方向发生改变，称散射现象，且该过程是随机过程。

入射电子在样品内部的散射轨迹可以用 Monte Carlo 电子轨迹模型进行模拟。聚焦电子束与样品的作用区的形状类似水滴形状。根据 Monte Carlo 电子轨迹模型可以推导出入射电子最大穿透深度 H。

H = 0.0019 (A/Z) ^1.63 E₀^1.71/ρ

其中 A 为样品原子量，Z 为样品原子序数，E₀ 为入射电子能量（单位 KeV），ρ 为样品密度­。

图2 电子束与样品作用区域模拟图

聚焦电子束与样品作用区域的大小主要与样品原子序数、电镜加速电压和电子束入射角度有关。

1) 样品原子序数 随原子序数增大，最大穿透深度降低。

如下图所示，当扫描电镜加速电压固定，随着样品原子序数增加，其作用区域不断减小。随原子序数增大，入射电子越容易散射，更容易偏离起始方向，相互作用区域会减少，最大穿透深度也降低。

图3 原子序数对相互作用区域的影响

2) 电镜加速电压 随着加速电压增大，最大穿透深度增加。

如下图所示，对同一种材料，随着加速电压增加（5~25kV），其作用区域不断变大。分别采用 5kV、10kV、15kV，利用背散射探头观察碳材料，5kV 下样品表面细节更丰富，15kV 样品形貌有明显穿透感。

加速电压变大，入射电子的能量也增加，电子的穿透深度变深，电子轨迹在样品表面变化不大，随着电子穿透深度增加和多次散射发生，入射电子方向也发生变化，作用区域也变大。

图4 加速电压对相互作用区域的影响

图5 背散射图像，不同加速电压下的碳材料形貌

3) 电子束入射角度 入射角度增大，作用区域越小。

入射电子与样品作用区域形状类似水滴，当样品表面不平或发生倾斜时，电子束作用区域亦会受到影响。

图6 入射电子束角度​