掃描電鏡分析樣品表面的深度是多少

掃描電鏡是利用聚焦電子束進行微區樣品表面形貌和成分分析，電子從發射源（燈絲）經光路系統最終到達樣品表面，電子束直徑可到 10 nm 以下，場發射電鏡的聚集電子束直徑會更小。

聚焦電子束到達樣品表面會激發出多種物理信號，包括二次電子（SE），背散射電子（BSE），俄歇電子（AE）、特征 X 射線（X-ray）、透射電子（TE）等。

· 二次電子 信號主要來自樣品表面，其深度范圍 10 nm ，成像具有較高分辨率，能夠很好的反映樣品形貌特征。

· 背散射電子 是入射電子被樣品原子核反彈回來的部分電子，電子能量較高，信號深度范圍可到 2 μm。

· X 射線 可以從樣品較深的位置出射，其深度范圍可到 5 μm。

圖1 不同樣品信號深度

聚焦電子束按一定方向入射到樣品上，電子會受到材料中晶體位場和原子庫侖場作用，其運動方向發生改變，稱散射現象，且該過程是隨機過程。

入射電子在樣品內部的散射軌跡可以用 Monte Carlo 電子軌跡模型進行模擬。聚焦電子束與樣品的作用區的形狀類似水滴形狀。根據 Monte Carlo 電子軌跡模型可以推導出入射電子最大穿透深度 H。

H = 0.0019 (A/Z) ^1.63 E₀^1.71/ρ

其中 A 為樣品原子量，Z 為樣品原子序數，E₀ 為入射電子能量（單位 KeV），ρ 為樣品密度-。

圖2 電子束與樣品作用區域模擬圖

聚焦電子束與樣品作用區域的大小主要與樣品原子序數、電鏡加速電壓和電子束入射角度有關。

1) 樣品原子序數 隨原子序數增大，最大穿透深度降低。

如下圖所示，當掃描電鏡加速電壓固定，隨著樣品原子序數增加，其作用區域不斷減小。隨原子序數增大，入射電子越容易散射，更容易偏離起始方向，相互作用區域會減少，最大穿透深度也降低。

圖3 原子序數對相互作用區域的影響

2) 電鏡加速電壓 隨著加速電壓增大，最大穿透深度增加。

如下圖所示，對同一種材料，隨著加速電壓增加（5~25kV），其作用區域不斷變大。分別采用 5kV、10kV、15kV，利用背散射探頭觀察碳材料，5kV 下樣品表面細節更豐富，15kV 樣品形貌有明顯穿透感。

加速電壓變大，入射電子的能量也增加，電子的穿透深度變深，電子軌跡在樣品表面變化不大，隨著電子穿透深度增加和多次散射發生，入射電子方向也發生變化，作用區域也變大。

圖4 加速電壓對相互作用區域的影響

圖5 背散射圖像，不同加速電壓下的碳材料形貌

3) 電子束入射角度 入射角度增大，作用區域越小。

入射電子與樣品作用區域形狀類似水滴，當樣品表面不平或發生傾斜時，電子束作用區域亦會受到影響。

圖6 入射電子束角度