层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。

二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决与表面形貌。 因此一般所说的电子显微镜照片即是指收集到的二次电子信号转化成的图象。简称形貌像。

图3－2 二次电子的产生 图3－3 背散射电子及二次电子的产额

3 背散射电子 （Back－scattered Electron） 背散射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。

弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的，散射角大于90度的那些入射电子，其能量基本无变化（几到几十KeV）。

非弹性背反射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。能量范围很宽，从数十eV到数千eV。

从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。 背散射电子的产生范围在样品的100nm-1m m深度，能量在几十－几千eV。

背散射电子成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。 背散射电子及二次电子的产额随原子序数的增加而增加（图3－3），但二次电子增加的不明显。而背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性地成分分析。原子序数高的元素，背散射能力强。

例如SiO2和SnO2，前者的平均原子序数为15.3，后者的为27.3，因此后者的背散射能量明显大于前者。

因此不同的物质相也具有不同的背散射能力，用背散射电子的测量亦可以大致的确定材料中物质相态的差别。

背散射电子像亦称为成分像。

二次电子与背散射电子能量比较（图3－4）

图3－4 二次电子与背散射电子能量比较

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4 透射电子（Transmitted Electron） 如果样品的厚度大大小与于入射电子的有效穿透深度，将有相当数量的电子穿透样品，称之为透射电子。

只有透射电子显微镜可以探测这种信号。

用于观察高倍形貌、晶格条纹像，以及电子衍射、微区晶体结构分析。 5 吸收电子 （Absorption Electron）

随着入射电子与样品中原子核或核外电子发生非弹性碰撞次数的增多，电子的能量和活动能力不断降低，以致最后被样品全部吸收。

用检测电流的方式可以得到吸收电子的信号像，它是背散射电子像和二次电子像的负像。 现在一般不采用这种方式获得照片。 6 X 射线 （X ray）

产生原理与XRD及XRF中所叙述的类似（图3－5）。 XRD：高速电子轰击阳极，得到特征X射线，其 波长取决于阳极材料的原子种类。 XRF：连续X射线照射在样品上，从样品中产生二次X射线，波长取决于样品中的原子种类。 EM：高速电子照射样品，从样品中产生特征X射 线，波长取决于样品中的原子种类。

图3－5 X射线的产生

7 俄歇电子 （Auger Electron） 在电子跃迁的过程中，如果过剩的能量不是以X射线的形式放出去，而是把这部分能量传递给同层（或者外层）的另一个电子，并使之发射出去，该电子即为俄歇电子（图3－6）。 俄歇电子所具有的能量为： E＝E1－E2－E3

E1：激发态空位；E2：跃迁的电子；E3：飞出原子核的电子。

Auger电子的能量较低，50－1500eV。

每种元素都具有各自特征的俄歇电子能量。 在能检测到的能量范围内，对于Z=3-14的元素，最突出的俄歇效应是由KLL跃迁形成的，对Z=14-40的元素是LMM跃迁，对Z=40-79的元素是MNN跃迁。 Auger电子的平均自由程很小（1nm左右），而在较深区域产生的俄歇电子，在向表面运动时，必然会因碰撞而损失能量，使之失去了具有特征能量的特点。而只有表面1nm左右范围内逸出的俄歇电子才具有分析意义。因此俄歇电子特别适合表面层的成分分析。

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A

CB

B

D

图3－6 俄歇的电子产生

8 阴极发光 （Cathodo－luminescence） 一些不导电的样品，在高能电子的作用下，可发射出可见光信号，称之为阴极荧光。

它是由这些物质的价电子，在受激态和基态之间能级跃迁直接释放的波长比较长、能量比较低的光波，波长在可见光范围内。

主要用于物质的阴极荧光特点分析，如分析物质晶体的成长过程等。 各种信号产生的深度及空间分辨率

1 Auger：4－20? 50－1500eV 3 Be：更深, 几十－几千eV

2 Se：50－100 ? 0－50eV 4 X ray 1－几um，1－15KeV 各种信号产生的深度、空间上的分布宽度影响分辨率 （图3－7）

图3－7 空间上的分布宽度影响分辨率

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测 验

1 电子束入射固体样品主要会激发哪些信号？并叙述它们的特点和用途。 2 简述电子显微镜的成像原理。

3 试比较XRD中X射线的产生、XRF中X荧光的产生、及EM中X射线的产生。

第四章 电子显微镜的主要图象

1 二次电子产额及二次电子像 2 背散射电子像 3 吸收电子像

1 二次电子产额及二次电子像

4 X射线成分像 5 俄歇电子像 6 透射电子像

图4－1二次电子产额（ δ ） A. 二次电子产额（ δ ）

二次电子信号主要来自样品表层5-10nm深度范围，因为只有在这个深度范围，由于入射电子激发而产生的二次电子，才具有足够的能量，克服材料表面的势垒，使二次电子从样品中发射出来。

入射电子能量E较低时，随束能增加二次电子产额δ增加，而在高束能区，δ随E增加而逐渐降低（图4－1）。

原因是进入试样的深度…

对于金属材料：

Emax=100-800eV, δmax=0.35-1.6, 非金属材料：

Emax=300-2000eV,δmax=1-10。

因此，如果仪器以检测二次电子为主要目的时，加速电压不宜过高（一般10－20KV）。 除了与入射能量有关外，δ还与二次电子束与试样表面法线之间的夹角有关，二者之间满足以下关系： δ＝k/cosθ

δ ：二次电子产额

θ ：电子束与试验表面法线之间的夹角 k ：比例常数

可见，入射电子束与试样夹角越大，二次电子产额也越大。 产生上述规律的原因：

1．随θ角的增加,入射电子束在样品表层范围内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多，产生二次电子数量就增加；

2．其次，是随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多，从而二次电子的产额增大。

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