掃描電子顯微鏡(SEM)的形貌觀察和波譜/能譜的成分分析是對電子槍發(fā)射的高能電子與試樣相互作用產(chǎn)生的各種信息進(jìn)行檢測和分析獲得的。當(dāng)高能入射電子與試樣的原子核和核外電子發(fā)生彈性散射或非彈性散射的相互作用時，將發(fā)生運(yùn)動軌跡的偏移或能量的交換，并激發(fā)樣品原子，從而產(chǎn)生大量攜帶樣品形貌、結(jié)構(gòu)和組成的信號電子，主要有二次電子、背散射電子、特征性X射線、俄歇電子、透射電子、吸收電子和陰極發(fā)光等，可利用這些信號電子成像來分析試樣。
不同類型信號電子具有不用的激發(fā)體積和形狀，其逸出范圍取決于加速電壓和材料類型，入射電子束與樣品相互作用范圍示意圖如下。
各種信號作用深度：
俄歇電子：0.4-2nm
二次電子：5-10nm
背散射電子：0.1-1um
特征X射線：0.5-5um
01透射電子：透射電鏡成像主要信號電子
當(dāng)樣品厚度比較薄(100nm以內(nèi))時，部分高能入射電子就可能穿透整個樣品，從樣品的下表面出射，即為透射電子。
特點(diǎn)：
1.透射電子產(chǎn)率與加速電壓和樣品質(zhì)量厚度有關(guān)，加速電壓越高，樣品質(zhì)量厚度越小，電子穿透力越強(qiáng)，成像分辨率越高。
2.透射電子信號由微區(qū)厚度、成分和晶體結(jié)構(gòu)決定。透射電子中除了有能量和入射電子相當(dāng)?shù)膹椥陨⑸潆娮油猓€有各種不同能量損失的非彈性散射電子，其中有些特征能量損失電子和分析區(qū)域的成分有關(guān)。
用途：
1.透射電鏡成像的主要信號，用于高倍形貌像觀察，高分辨原子、分子、晶格像觀察和電子衍射晶體結(jié)構(gòu)分析。
2.可以利用特征能量損失電子配合電子能量分析器來進(jìn)行微區(qū)成分分析。
02二次電子：掃描電鏡中應(yīng)用最多的信號電子
當(dāng)高能入射電子與試樣原子核外內(nèi)層電子或價電子發(fā)生相互作用時，將部分能量傳遞給核外電子，使其獲取能量后發(fā)生電離形成自由電子，通過克服材料的逸出功離開樣品即為二次電子。
特點(diǎn)：1.能量低，只有樣品表面5-10nm區(qū)域產(chǎn)生的二次電子才能夠克服材料的逸出功，離開樣品到達(dá)探測器。2.空間分辨率高，一般為5-10nm。3.對表面形貌變化非常敏感，能夠真實(shí)地反映樣品表面和極表面形貌特征。4. 二次電子的產(chǎn)額與原子序數(shù)沒有明顯的依賴關(guān)系，所以不能用來進(jìn)行成分分析。
用途：用于樣品表面和極表面形貌特征的觀察
03背散射電子
當(dāng)高能入射電子轟擊試樣時，由于受樣品原子核的庫侖作用，將在任意方向上發(fā)生彈性散射，當(dāng)其中部分入射電子所累積的總散射角大于90°時，這部分電子會重新返回試樣表面，稱之為背散射電子。根據(jù)其能量損失與否，分為彈性背散射電子和非彈性背散射電子，其中前者占大部分。
特點(diǎn)：1.背散射電子來自樣品表層幾百納米的深度范圍，成像分辨率小于二次電子，一般為50-200nm。2.背散射電子產(chǎn)額與樣品傾斜角和原子序數(shù)密切相關(guān)，隨二者的增大而增加，特別依賴于原子序數(shù)的變化，所以背散射電子信號與樣本化學(xué)組成有關(guān)。
用途：既可以用作形貌分析，也可以顯示試樣的原子序數(shù)襯度，定性的做成分分析。
04特征X射線
當(dāng)高能入射電子轟擊試樣后，部分入射電子與原子中的內(nèi)層電子發(fā)生非彈性散射，將其部分能量傳遞給內(nèi)層電子使其激發(fā)并脫離該原子。此時，內(nèi)殼層上將出現(xiàn)一個空位，整個原子處于一種不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)，在受激后的瞬間(約10-12s)會有一系列外層電子相繼向內(nèi)殼層空位進(jìn)行補(bǔ)位躍遷，同時產(chǎn)生一系列特征X射線和俄歇電子，釋放出多余的能量促使原子恢復(fù)到更低能量的基態(tài)。
特點(diǎn)：1.特征X射線的波長和強(qiáng)度決定于原子的核外電子能級結(jié)構(gòu)，每種元素都有自己特定的特征X射線譜，入射深度一般為0.5-5um。2.隨著原子序數(shù)增加，產(chǎn)生特征X射線的幾率增加。
用途：通過探測特征X射線能量可以反映樣品中元素組成的變化，進(jìn)行定量成分分析。
05俄歇電子
當(dāng)高能入射電子與樣品原子發(fā)生相互作用后，原子內(nèi)層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量不是以特征X射線的形式釋放，而是用這部分能量把空位層的另一個電子發(fā)射出去(或使空位層的外層電子發(fā)射出去)，這個被電離出來的電子叫俄歇電子。示意圖如下
特點(diǎn)：
1.能量低，只能從樣品小于2nm深度的淺表層逸出。
2.具備樣品原子的特征能量，特別適合做淺表層成分分析，用在俄歇電子能譜儀AES上。
3.分析元素廣，適合除氫氦元素外的所有元素，對輕元素敏感。
4.俄歇電子產(chǎn)額αK與特征X射線的熒光產(chǎn)額ωK關(guān)系為αK+ ωK=1。
用途：
特別適合做淺表層成分分析。比如表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化(表面吸附、脫附以及表面化學(xué)反應(yīng))，用于材料組分的確定、純度的檢測、材料尤其是薄膜材料的生長等。
06吸收電子
當(dāng)電子束入射至樣品中時，部分入射電子經(jīng)歷多次散射作用后既沒有轉(zhuǎn)變成背散射電子，也沒有穿透樣品，而是在散射過程中將能量消耗殆盡之后，被樣品所吸收，稱之為吸收電子。
特點(diǎn)：1.吸收電子的數(shù)量與試樣的厚度、密度和組成試樣的原子序數(shù)有關(guān)。2.吸收電子信號強(qiáng)度與背散射電子信號強(qiáng)度相反，即背散射電子信號強(qiáng)度弱，則吸收電子信號強(qiáng)度就強(qiáng)，反之亦然，所以吸收電子像的襯度與背散射電子像的襯度相反。
用途：1.可以用其獲取試樣的形貌像和成分像。因?yàn)槲针娮酉竦姆直媛什蝗绫成⑸潆娮酉竦姆直媛剩砸话愫苌儆糜趫D像觀察。2.微區(qū)定性成分分析，在實(shí)際工作中，吸收電子像常用來分析試樣中亞表面的缺陷，如潛在的微裂縫與空洞等。
07陰極熒光
某些材料，如硫化鋅晶體、半導(dǎo)體、磷光體和熒光粉等，受到高能電子轟擊后，會在紫外和可見光譜區(qū)發(fā)射長波長光子，這個現(xiàn)象稱為陰極熒光，通過采集、檢測陰極熒光進(jìn)行成像，可研究該物質(zhì)的成分和發(fā)光信息。
特點(diǎn)：產(chǎn)生陰極熒光的物質(zhì)主要是那些含有雜質(zhì)元素或晶格缺陷(如間隙原子、晶格空位等)的絕緣體或半導(dǎo)體
用途：1.用來研究礦物的發(fā)光性、所含雜質(zhì)類型和晶格缺陷等。2.半導(dǎo)體材料中晶體的缺陷、位錯、自由電子和摻雜濃度的變化。3.根據(jù)熒光材料的發(fā)光情況，研究其材料的均勻性和夾雜物的分布及種類。4.確定試樣中某些微量元素的存在，特別是那些濃度接近和略低于能譜儀檢測限的元素。
