飛納電鏡操作過程自動(dòng)化：背散射電子和二次電子混合像

當(dāng)電子束與樣品相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生背散射電子（BSE）和二次電子（SE）。通過檢發(fā)射信號(hào)可獲得樣品表面的成分襯度像（背散射電子）和表面形態(tài)像（二次電子）。背散射電子和二次電子是如何形成的，為什么它們攜帶特定的樣品信息？此外，能否在一幅圖像中同時(shí)獲得成分和形態(tài)信息？

當(dāng)入射電子束擊中樣品表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生二次電子和背散射電子，檢測(cè)并收集這些信號(hào)從而形成圖像。二次電子是由樣品的核外電子的非彈性散射產(chǎn)生的，如圖 1 左圖所示。二次電子（SE）是低能量電子（通常小于 50eV），容易被吸收。這就是為什么只有從極薄的樣品表面中產(chǎn)生的二次電子才能被探測(cè)器收集的原因。

而背散射電子是由彈性散射形成的，其中主電子的軌跡因與樣品中原子核的相互作用而產(chǎn)生偏離，如圖1右圖所示。背散射電子（BSE）通常具有很高的能量，可以從樣品的深處檢測(cè)到。

圖1：二次電子（左邊）和背散射電子（右邊）的形成。二次電子（SE）是由非彈性散射形成的，而背散射電子（BSE）是由彈性散射形成的。

二次電子圖像包含了樣品的表面形貌信息。如圖 2 左邊所示，電子束掃描到一個(gè)有凸起的表面。當(dāng)電子束位于這個(gè)凸起的斜坡上時(shí)，側(cè)壁的相互作用體積導(dǎo)致更多的二次電子逃離表面。當(dāng)電子束位于平坦區(qū)域時(shí)，較少的二次電子可以逃離。這意味著二次電子在邊緣和斜坡上的產(chǎn)率更高，圖像比在平坦的區(qū)域更明亮，從而提供樣品的形貌信息。

另一方面，背散射電子的產(chǎn)率取決于材料，如圖2所示。如果電子束轟擊原子序數(shù) Z=14 的硅原子，那么形成的背散射電子就會(huì)比原子序數(shù) Z=79 的金原子少。原因在于，金原子的原子核更大，對(duì)主電子的軌跡產(chǎn)生更強(qiáng)的影響，從而導(dǎo)致更大的偏離。因此，背散射電子圖像提供了關(guān)于樣品元素成分差異的信息。

圖2：左邊，二次電子在樣品表面邊緣和斜坡上的產(chǎn)率要比在平坦表面的高。右邊，背向散射電子的產(chǎn)率取決于材料的原子序數(shù)，同一入射電子束在金原子 （Z = 79）中產(chǎn)生的背散射電子比在硅原子（Z = 14）中多。

為了收集二次電子，通常使用 Everhart-Thornley 探測(cè)器（ETD）。由于二次電子（SE）的能量較低，所以在探測(cè)器前面放置一個(gè)高電位的柵極來吸引二次電子。另一方面，背散射電子（BSE）通常由放置在樣品上方的固態(tài)探測(cè)器收集。ETD 探測(cè)器和 BSD 探測(cè)器獲得的圖像分別包含了樣品的形貌和成分信息。

然而，對(duì)于某些應(yīng)用程序來說，在一張圖像中同時(shí)擁有形貌和成分信息是很方便的，可以通過合成來自兩個(gè)檢測(cè)器的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。

混合背散射電子和二次電子圖像

當(dāng)獲得圖像時(shí)，電子束逐個(gè)掃描樣本表面像素。在每個(gè)像素中，探測(cè)器收集信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)值。如果圖像以 8 位獲得，像素值的范圍從 0 到 255。如果圖像是 16 位獲取的，每個(gè)像素的值可以從 0 到 65,535。

像素的值取決于二次電子或背散射電子的產(chǎn)率，像素的值越高，像素在圖像中的亮度就越高。如圖 2 左圖所示，由于發(fā)出了更多的二次電子（SE），所以該位置的像素值將更高，圖像中的邊緣將顯得更亮。

將背散射電子和二次電子圖像進(jìn)行混合，就意味著這兩種圖像是疊加在一起的。實(shí)際上，二次電子（SE）圖像中的每個(gè)像素都是與背散射電子（BSE）圖像中相應(yīng)的像素疊加的，公式為：

其中“比率（ratio）”是合成圖像中攜帶的二次電子（SE）和背散射電子（BSE）信息的比值。對(duì)于相同的形貌和成分信息，比值將等于 0.5。

在圖 3 的左邊，你可以看到一個(gè)太陽能電池的掃描電鏡圖像，上方是二次電子（SE）圖像，下方是背散射電子（BSE）圖像，其中白色區(qū)域?yàn)殂y，而黑色區(qū)域?yàn)楣?。在二次電子（SE）圖像中，樣品的形貌是清晰的：銀的顆粒結(jié)構(gòu)很容易被檢測(cè)到，還有凹凸不平的硅表面。當(dāng)然，ETD 探測(cè)器也會(huì)接收到一些背散射電子（BSE）信號(hào)，這也是為什么兩種材料之間存在對(duì)比度差異的原因。

在背散射電子（BSE）圖像中，樣品的形貌不太明顯。但是，材料的對(duì)比度增強(qiáng)了，同時(shí)也顯示了銀上的一些污染顆粒。在圖 3 的右邊是混合圖像。在本例中，我們使用了 0.5 的比率，這意味著每個(gè)像素值包含 50% 的形貌信息和 50% 的成分信息。不僅可以看到不同材料粒子的成分襯度，而且還可以看到銀表面和硅表面粗糙結(jié)構(gòu)。

圖3：合成圖像示例。左上方是太陽能電池的二次電子（SE）圖像，下方是太陽能電池的背散射電子（BSE）圖像，銀（亮區(qū)）可以與硅（暗區(qū)）區(qū)分開來。右邊是合成圖像，比例為 0.5。

合成圖像的腳本

在許多應(yīng)用中，能夠產(chǎn)生和保存混合的背散射電子和二次電子圖像是很關(guān)鍵的。不僅如此，設(shè)置SE與BSE的比值很重要，可以獲得完美的圖像，為用戶提供有價(jià)值的信息。

通過使用飛納編程接口（PPI），開發(fā)一個(gè)腳本，可以直接從飛納掃描電鏡中獲取背散射電子（BSE）和二次電子（SE）圖像，并將它們合并在一起，如圖 4 所示。也可以加載先前在飛納電鏡中保存的背散射電子（BSE）和二次電子（SE）圖像，并生成和保存合成圖像。

圖4：混合圖像腳本的用戶界面，使用 PPI 開發(fā)。