扫描电镜(SEM)：电子的类型及其提供的信息

电子显微镜是一种用途广泛的仪器，可以根据用户的需求提供多种多样的信息。正如其名称所表明的那样，电子显微镜使用电子束进行成像。电子与物质相互作用会产生不同的信号，每种信号都包含有关样品的有用信息。具体捕捉哪些信号则取决于显微镜操作者的选择。

扫描电镜的信号类型

例如，像透射电子显微镜（TEM）这种设备，正如其名称所表明的那样，探测的是穿透样品后的透射电子信号，从而提供样品内部结构的信息。而对于扫描电子显微镜（SEM）来说，通常会探测两种类型的电子：背散射电子（BSEs）和二次电子（SEs）。

背散射电子是电子束与样品发生弹性相互作用后被反射回来的电子。相比之下，二次电子则来源于样品本身的原子，是电子束与样品发生非弹性相互作用的结果。

扫描电子显微镜信号的比较

背散射电子来自样品较深的区域，而二次电子则来自样品的表面区域。因此，这两种电子携带的信息类型也不同。背散射电子图像对原子序数的差异具有高度敏感性；原子序数越高，材料在图像中显示得越明亮。而二次电子成像则能够提供更加详细的表面信息。

背散射电子成像

背散射电子（BSE）来源于相互作用体积内的广泛区域。它们是电子与原子发生弹性碰撞的结果，这种碰撞会导致电子运动轨迹的改变。可以把电子与原子的碰撞想象成所谓的“台球”模型，即较小的粒子（电子）与较大的粒子（原子）发生碰撞。重原子对电子的散射能力远强于轻原子，因此会产生更强的信号。到达探测器的背散射电子数量与其原子序数成正比。背散射电子数量随原子序数的变化关系有助于我们区分不同的相，从而提供包含样品成分信息的图像。BSE图像还可以提供有关晶体结构、表面形貌和样品磁场的宝贵信息。

最常见的BSE探测器是固态探测器，通常包含p-n结。其工作原理基于背散射电子逃逸出样品并被探测器吸收后产生电子-空穴对。这些电子-空穴对的数量取决于背散射电子的能量。p-n结连接着两个电极，其中一个吸引电子，另一个吸引空穴，从而产生电流，电流的大小也取决于吸收的背散射电子数量。

BSE探测器位于样品的上方，围绕电子束呈“环形”排列，以最大限度地收集背散射电子。当启用探测器的所有部分时，图像的对比度反映了元素的原子序数。当仅启用探测器的特定象限时，可以从图像中提取表面形貌信息。

二次电子

与BSE不同，SE（二次电子）来源于样品的表面或近表面区域。它们是初级电子束与样品发生非弹性相互作用的结果，能量低于背散射电子。二次电子对于观察样品表面的形貌非常有用。

Everhart-Thornley探测器是检测SE（二次电子）最常用的装置。它由位于法拉第笼内的闪烁体组成，该闪烁体带有正电荷，用于吸引SE。随后，闪烁体用于加速电子并将它们转化为光信号，再通过光电倍增管进行放大。SE探测器位于电子腔的一侧，并呈一定角度放置，以提高检测二次电子的效率。

背散射电子（BSE）和二次电子（SE）是SEM用户成像时最常用的信号。由于研究人员经常需要不同种类的数据，因此配备多种探测器使扫描电镜成为一种非常通用的工具，能够为许多不同的应用提供有价值的信息。