扫描电子显微镜成像模式在金属材料研究中的选用

杨 显，胡建军,2，郭 宁，何 川，张雨晴，王 静

(1.重庆理工大学 材料科学与工程学院， 重庆 400054；2.模具技术重庆市高校市级重点实验室， 重庆 400054;3.西南大学 材料与能源学部， 重庆 400715)

扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)是20世纪30年代在透射电镜的研究基础上发展出来的一种电子显微镜[1]。相较于传统光学显微镜，SEM具有更高且连续可调的放大倍数，可从几倍放大至几十万倍；相较于透射电镜，其制样简单，并且成像立体感强，景深大，适用于直接观察试样凹凸不平的表面尤其是断口的细微结构。SEM可以结合X射线能谱仪(EDS)和背散射电子衍射分析仪(EBSD)快速便捷地对样品表面进行无损化学成分定性、定量以及组织等晶体学分析，还可以结合力学、热学配件进行材料的原位拉伸、压缩、弯曲以及原位升降温等实时动态检测[2]，在冶金、建筑、机械等领域的材料表征上都获得了极广泛的应用。

利用SEM的图像研究方法分析显微结构，其内容丰富、方法直观。近年来随着社会对新型材料需求的不断增长，SEM测试技术在新型材料科学领域中的应用日益广泛。与传统光学显微镜不同，SEM可以通过记录样品表面和入射电子束的交互作用产生的不同信号进行成像。现代SEM允许各种各样的成像模式和检测技术，通过选取合适的成像模式，结合EDS、原位升降温以及原位变形可以对材料进行高尺度、多通量表征。

SEM的成像原理是采用细聚焦高压电子束在材料表面扫描时激发的某些物理信号来调制成像。由于电子束对固体材料表面作用下物理现象和信号的发生复杂，而固体材料，尤其是金属材料对这些物理特性敏感程度各不相同。因此，SEM成像模式在金属材料研究中的选用显得尤为重要。

1 电子成像原理

1.1 电子束与固体材料表层作用

SEM的原理是利用聚焦高能电子束在试样表面逐步扫描，激发样品产生各种物理信号。根据各种信号的产额大小，将信号放大以明暗显示的图像形式，实现试样表面特征。电子束与固体样品作用产生的信号包括二次电子、背散射电子、俄歇电子、透射电子、吸收电子、特征X射线等[3]，见图1(a)。

在目前常见的SEM上，二次电子(SE)和背散射电子(BSE)信号是最重要的用来进行金属材料组织表征的信号。

SE是在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子，其能量较低，习惯上把能量小于50 eV的电子统称为二次电子。SE一般都是在表层5～10 nm深度范围内发射出来的，发生区域很小，因而二次电子像分辨率高。根据来源和距离电子束轰击点深度的不同，二次电子主要可分为4类[4-5]，见图1(b)：

SE1：电子束与材料表面作用直接产生的二次电子信号；

SE2：入射电子在材料内部反应区域内经过多次散射后激发产生的二次电子信号，并离电子束原轰击点有一定距离；

SE3：由背散射电子撞击样品仓壁或极靴产生的二次电子信号；

SE4:由入射束的电子在电子光学镜筒内产生的二次电子信号。

根据二次电子的发生源头，可将二次电子SE分为SE1、SE2、SE3、SE4。SE1即为入射电子激发的二次电子，对极表面的信息反映最佳；SE2是由背散射电子在样品表面激发的二次电子，带有样品深层信息；SE3和SE4为图像噪声，基本不反映样品信息。因此，一般接收到的有效信号是SE1与SE2的混合像。随着加速电压的提高，SE2信号比例也在提高，深层信息增多。而为获得高分辨率，通常需要通过降低电压的方式来获取更多的SE1信号。

图1 电子束与固体样品表面作用时的物理现象

BSE是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，来自样品表层几百纳米的深度范围，其中包括弹性BSE(BS1)和非弹性BSE (BS2)。弹性BSE是指被样品中原子核反弹回来，散射角大于90度的那些入射电子，其能量基本上没有损失，能量能达到数千到数万电子伏。非弹性BSE (BS2)是入射电子和样品核外电子撞击后产生的非弹性散射，其产生主要取决于主电子束的能量、样品原子序数和样品厚度等因素，不仅方向改变，能量也有不同程度的损失。非弹性BSE的能量分布范围很宽，从数十电子伏直到数千电子伏。从数量上看，弹性BSE远比非BSE所占的份额多。弹性BSE包含了高分辨的原子序数信息[5]。

1.2 电子成像技术

金属材料作为多晶体，电子束和试样表层作用产生的电子主要包含3种信息:形貌信息、原子序数信息和晶体取向信息[6]。扫描电子显微镜就是针对这些信息，调制为用于观察表征的不同衬度图像。

表面形貌衬度是由表面形貌差别而形成的衬度，如图1(a)中的位置A，利用对试样表面形貌变化敏感的物理信号调制成像，可以得到形貌衬度图像。形貌衬度的形成是由于某些信号，如SE、BSE等，其强度是试样表面倾角的函数。而试样表面微区形貌差别就是各微区表面相对于入射电子束的倾角不同，因此电子束在试样上扫描时任何两点的形貌差别，表现为信号强度的差别，从而在图像上形成形貌的衬度。在凸起、尖锐和倾斜面时，探头接收到的信号强，图像较亮。由于SE信号主要来自样品表层5～10 nm深度范围，对样品的表面形貌十分敏感，因此，相较BSE，SE能更有效地显示样品的表面形貌，分辨率更高。

原子序数衬度是由于试样表面物质原子序数(或化学成分)差别而形成的衬度，如图1中的位置B。利用对试样表面原子序数Z表面敏感的物理信号作为调制信号，可以得到原子序数衬度图像。不同原子序数的物质由于核外电子数目不同以及电离能的差别，导致SE产额与原子序数也有一定关系。当Z<20时，产额随原子序数Z增加而增加；当Z>20时，产额基本不随原子序数变化。因此SE通常用于表面形貌表征，不用来做成分分析。不过，在原子序数较低或者差异较大的时候，也能看出原子序数衬度[7]。BSE对原子序数的敏感度比SE高很多，其产额随样品原子序数增大而增多，也就是说，原子序数越大的区域图像就越亮。因此BSE不仅能用作形貌分析，而且可以用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。

如果样品具备晶体结构,背散射电子的产额还与入射电子束与晶面的相对取向有关，因此能够反映出晶体取向信息，这就是电子通道衬度[7]，如图1中的位置C。入射电子束与晶面间的夹角越大，溢出试样表面的背散射电子就越多，探头接收到的信号越强，图像部位越亮。反之，则图像越暗[8]。

2 扫描电镜(SEM)主要信号探测器

因钨灯丝扫描电镜热电子发射效率低，仪器分辨率受到限制。为获得高分辨的扫描电子成像，现今科研单位中大多使用场发射扫描电镜(FE-SEM)。该类电镜通过在阴极添加一个强电场引导电子发射，并通过不同的电子枪控制方式大大提高电子枪亮度，缩小光源束直径，从而获得更高的图像分辨率[7]，二次电子像分辨率可达1 nm。

SEM通过信号探测器采集样品在入射电子作用下产生的物理信号，经过视频放大后成像。SEM通用的信号探测器为旁置式(E-T)二次电子探测器，常见配备还包括背散射电子(BSE)探测器，而高分辨FE-SEM一般还配备有In-lens二次电子探测器。3种常用电子探测器在扫描电镜中的分布如图2所示。其中：E-T二次电子探测器是位于样品仓内的二次电子探测器，用于生成常规二次电子像；In-lens二次电子探测器的探头位于镜筒内部光轴上，主要收集的是SE1信号，因而具备更高的空间分辨率[5]，用于生成高分辨的二次电子像；BSE探测器的探头位于极靴正下方，用于生成背散射电子像。

图2 In-lens二次电子探测器，E-T二次电子探测器和背散射电子探测器在SEM中的位置分布

3 成像模式在材料研究中的选用

本文所采用的实验设备为Zeiss Sigma HD型热场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)，见图3，配备有E-T二次电子探测器、In-lens二次电子探测器、BSE探测器，Oxford Instruments公司的X射线能谱仪(EDS)和背散射电子衍射分析仪(EBSD)。各探测器和分析仪的具体分布见图3。

图3 Zeiss Sigma HD型FE-SEM中各信号探测器位置分布

以下列举3组特征图片对比说明E-T SE、In-lens和BSE 这3种成像模式的特点。图4为经电子束表面处理后的310不锈钢样品，其中：(a)为E-T SE成像模式；(b)为In-lens成像模式。由图可观察到，E-T SE模式下得到的图像形貌衬度明显，立体感强，景深大，可清晰观察电子束与表面作用后产生的熔坑，熔坑直径基本大于20 μm。在大熔坑的外圈以及样品基底上还可观察到颗粒状的晶粒。In-lens模式下，图像立体感明显不如E-T SE模式，但如图中白圈标记，可观察到直径大小约10 μm以下的圆圈，这是电子束在样品表面形成的极浅熔坑，而E-T SE模式下很难观察到。这是因为In-lens成像模式对较低能量的SE更加敏感。 In-lens图像主要由能量小于40 eV的低能电子组成，因而图像具有更高的表面灵敏度，分辨率明显优于E-T SE图像。而对于E-T SE成像模式，SE大部分具有更高的能量，因此图像包含更多基底材料的信息[9]。

图4 310 s不锈钢经电子束处理后的表面表征

李建国等[10]在对Al-Si-Mg系的A356合金中Mg2Si沉淀相分析的研究时发现，在低压观察模式下，使用In-lens探头能观察到清晰的失效析出相，而在常规SE成像模式下，不论高低压，都很难清楚观察。因入射电子束的穿透深度随着加速电压的升高而增大，所以在需获得样品极表面形貌信息时，往往可采用低电压、短工作距离，使用In-lens探测器成像的方式。也因此，对于导电性差的薄膜样品，表面无需进行常规的喷金或喷碳预处理，可直接观察，大大提高了SEM分析效率，这是场发射扫描电镜相较于传统扫描电镜的一大优势。在使用In-lens成像模式时，尽量不使用倾斜样品，不加BSE探头，以免信号受到干扰。E-T SE成像模式因其探测器位于样品侧面，所以形貌衬度最明显。在SEM测试中需注意其与In-lens成像模式操作的不同：工作距离不能太近，否则低于4 mm会产生阴影效应[7]。

笔者在实践交流中发现，很多科研工作者往往在扫描电镜的使用中，对于二次电子模式比较了解而忽略了背散射电子的应用。即使电镜配备有背散射电子探测器，也很少或从来没有使用过。形貌衬度和原子序数衬度是样品表征中最常见的衬度，只有合理使用二次电子和背散射电子成像，才能充分发挥扫描电镜的作用。图5为退火态球墨铸铁在3种成像模式下的图像。由E-T SE与In-lens两种二次电子成像模式所得图像(a)(b)可清楚得到深色的球状石墨和浅色的铁素体基体。而在图5(c)的BSE模式中，因碳原子和铁原子原子序数差异很大，衬度区别较(a)(b)更明显，细节更突出。

图5 退火态球墨铸铁组织表征

为获得清晰的原子序数衬度，利用背散射电子成像，样品通常需先进行细致的磨平抛光处理，不做浸蚀，尽可能保证表面的平整，最大程度上过滤掉形貌衬度的影响。用背散射电子信号进行形貌分析，因为背散射电子被入射电子激发的作用体积比二次电子大，成像单元变大，所以分辨率比二次电子低。二次电子的分辨率为5～10 nm,背散射电子的分辨率为50～200 nm。因此，通常SEM结果最终会结合BSE成像与二次电子成像模式，使细节呈现更清楚，从而做出更准确的分析。

图6为不同成像模式下的40Cr基体和热扩渗Cr层界面的图像。其中(a)、(b)分别为E-T SE、In-lens成像模式时的图像，(c)(d)为BSE成像模式时的图像，选区中的组织为珠光体。对其进行比较，E-T SE探测图像立体感最强，可明显看到凸起的点状部分；In-lens成像模式中，珠光体片层更清晰，且基体表面能看到更细微的白色点状分布；BSE成像模式图像1中除能观察到珠光体片层形貌特征以外，因相邻晶粒晶体取向不同，出现以灰度区分的电子通道衬度，各晶体之间界限非常清晰。图6(d)为BSE探测器收集到的图像，制样最终工序为电解抛光，可以看出这是一个形貌和电子通道的混合衬度，上部为含有高Cr合金渗碳体的珠光体，由于在电解抛光时电极电位不同，形成的形貌衬度，下部由于出现贫碳现象组织主要为铁素体，图像主要表现为电子通道衬度。根据图像结果能非常便捷地分析出晶粒尺寸大小、形变程度等重要信息。

图6 FE-SEM不同成像模式下的40Cr基体和扩渗Cr层

要获得理想的电子通道衬度，样品须为金属或晶体等多晶材料。对样品表面要求很高，需非常平整，以减少形貌衬度的影响；并需尽可能减小多余的残余应力，使表面保持完整的晶体结构。因电子通道衬度相比形貌衬度来说要弱很多，故可以通过增强入射电子束流的办法提高电子通道衬度的清晰度[5]。

4 结束语

SEM放大倍数范围区间广，景深大，分辨率高，成像清晰。二次电子和背散射电子是扫描电镜使用最多的两种信号，利用这两种信号可以很好地对金属材料的形貌衬度、原子序数衬度和晶体取向衬度进行表征。只有充分了解了两种信号和衬度之间的关系，通过合理制样和成像模式的选择，才能使扫描电镜得到充分利用，从电镜图像中获取更多的信息，在金属材料的研究中发挥重要的作用。