當電子束與樣品相互作用時，會產生背散射電子（BSE）和二次電子（SE）。通過檢發射信號可獲得樣品表面的成分襯度像（背散射電子）和表面形態像（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獲得成分和形態信息？
當入射電子束擊中樣品表面時，會產生二次電子和背散射電子，檢測并收集這些信號從而形成圖像。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生的二次電子才能被探測器收集的原因。
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，電子束掃描到一個有凸起的表面。當電子束位于這個凸起的斜坡上時，側壁的相互作用體積導致更多的二次電子逃離表面。當電子束位于平坦區域時，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率更高，圖像比在平坦的區域更明亮，從而提供樣品的形貌信息。
另一方面，背散射電子的產率取決于材料，如圖2所示。如果電子束轟擊原子序數 Z=14 的硅原子，那么形成的背散射電子就會比原子序數 Z=79 的金原子少。原因在于，金原子的原子核更大，對主電子的軌跡產生更強的影響，從而導致更大的偏離。因此，背散射電子圖像提供了關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率要比在平坦表面的高。右邊，背向散射電子的產率取決于材料的原子序數，同一入射電子束在金原子 （Z = 79）中產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 探測器（ETD）。由于二次電子（SE）的能量較低，所以在探測器前面放置一個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探測器收集。ETD 探測器和 BSD 探測器獲得的圖像分別包含了樣品的形貌和成分信息。
然而，對于某些應用程序來說，在一張圖像中同時擁有形貌和成分信息是很方便的，可以通過合成來自兩個檢測器的信號來實現。
混合背散射電子和二次電子圖像
當獲得圖像時，電子束逐個掃描樣本表面像素。在每個像素中，探測器收集信號并將其轉換為一個值。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行混合，就意味著這兩種圖像是疊加在一起的。實際上，二次電子（SE）圖像中的每個像素都是與背散射電子（BSE）圖像中相應的像素疊加的，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，其中白色區域為銀，而黑色區域為硅。在二次電子（SE）圖像中，樣品的形貌是清晰的：銀的顆粒結構很容易被檢測到，還有凹凸不平的硅表面。當然，ETD 探測器也會接收到一些背散射電子（BSE）信號，這也是為什么兩種材料之間存在對比度差異的原因。
在背散射電子（BSE）圖像中，樣品的形貌不太明顯。但是，材料的對比度增強了，同時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構。
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）可以與硅（暗區）區分開來。右邊是合成圖像，比例為 0.5。
合成圖像的腳本
在許多應用中，能夠產生和保存混合的背散射電子和二次電子圖像是很關鍵的。不僅如此，設置SE與BSE的比值很重要，可以獲得的圖像，為用戶提供有價值的信息。
通過使用飛納編程接口（PPI），開發一個腳本，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。
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