泰思肯：掃描電子顯微鏡那么多探測器，拍攝時到底該如何選擇？

　　利用掃描電子顯微鏡觀察樣品時，會關(guān)注分辨率、襯度、景深、形貌的真實性、其他分析的需要等等，不同的關(guān)注點之間需要不同的拍攝條件，有時甚至相互矛盾。那我們該如何根據(jù)樣品類型以及所關(guān)注的問題選擇合適的電鏡條件呢？

　　泰思肯將陸續(xù)為大家連載《掃描電子顯微鏡及微區(qū)分析技術(shù)》，幫助廣大電鏡工作者深入了解電鏡相關(guān)技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)以及最新發(fā)展狀況，將電鏡在材料研究中發(fā)揮出更加優(yōu)秀的性能！

　　第三節(jié)常規(guī)拍攝需要注意的問題

　　電鏡的工作條件包括很多，加速電壓、束流束斑、工作距離、光闌大小、明暗對比度、探測器的選擇等。前幾期我們已經(jīng)介紹過加速電壓、束斑束流、工作距離該如何根據(jù)實際應用需求選擇。

　　本期將為大家介紹明暗對比度、不同探測器對掃描電鏡拍攝的影響。

　　§4.明暗對比度的影響

　　一張清晰的電鏡照片需要有適中的明暗對比度，可以利用電鏡軟件中的直方圖工具來進行明暗對比度的判斷，如圖5-30。直方圖的橫坐標表示亮度，左為暗部，右為亮部，縱坐標表示各種灰度所占的比例。

圖5-30直方圖工具

　　一張明亮對比適中的圖片，需要暗處、亮處、中間灰度均有分布，直方圖從中間到兩邊類似正態(tài)分布，如圖5-31。

圖5-31亮度與直方圖

　　當圖像亮度過亮、過暗都會導致另一端沒有灰度信息，導致圖像信息損失。對比度的調(diào)節(jié)希望整個灰度分布恰好覆蓋大部分區(qū)域，如圖5-32，對比度太小則灰度僅覆蓋中間很少區(qū)域，而對比度太大，會造成亮處、暗處有信息損失。

　　在開始掃描的時候盡量將明暗對比度調(diào)節(jié)至最合適的條件，如果一開始明暗對比不適合，利用軟件自帶的處理工具可以對圖像進行優(yōu)化，如圖5-33。調(diào)整完的可以清楚的判別出其中至少五種灰度襯度，而調(diào)整前只能勉強分辨四種襯度。

圖5-32對比度與直方圖

圖5-33明暗對比度的影響及對應的直方圖

　　§5.探測器的選擇

　　TESCAN的場發(fā)射掃描電子顯微鏡如果配置齊全包括SE、InBeam-SE、BSE、InBeam-BSE、STEM-BF、STEM-DF六個獨立的探測器，前面已經(jīng)在電鏡結(jié)構(gòu)中簡單介紹了各個探測器的原理和特點。在平時拍攝時，選擇不同的探測器也會獲得不同的效果。

圖5-34 TESCAN電鏡所有的電子探測器

　?、賁E和BSE探測器的對比

　　SE和BSE分別是旁置式電子探測器和極靴下探測器，前者接收二次電子和部分低角背散射電子，后者接收大部分低角背散射電子探測器。所以從圖像效果來說，SE探測器的圖像以形貌襯度為主，立體感強，兼有少量的成分襯度；BSE探測器的圖像以成分襯度為主，兼有一定的形貌襯度，如圖5-35。

圖5-35 SE（左）和BSE（右）探測器的襯度對比

　　②SE與InBeam-SE探測器的對比

　　SE和InBeam-SE探測器相比，前者在側(cè)方，具有陰影效應，可以形成強烈的立體感，而后者位于正上方，不會受任何形貌的遮擋，立體感較差，如圖5-36。

圖5-36 SE（左）和InBeam-SE（右）探測器的立體感對比

　　SE探測器接收SE1、SE2、SE3和部分BSE信號，分辨率相比只收集SE1的InBeam SE探測器要低，如圖5-37。

圖5-37 SE（左）和InBeam-SE（右）探測器的分辨率對比

　　對于一些凹坑處的觀察，由于InBeam-SE探測器在上方?jīng)]有遮擋，所以會比SE探測器有更多的信號量，InBeam-SE探測器更適合做凹陷區(qū)域的觀察，如圖5-38。

圖5-38 SE（左）和InBeam-SE（右）探測器對凹陷處觀察對比

　?、跙SE與InBeam-BSE探測器的對比

　　BSE探測器主要采集低角背散射電子，InBeam-BSE探測器采集高角背散射電子，前者兼有成分和形貌襯度，后者相對來說成分襯度占主要部分，形貌襯度相對較弱。不過后者接收的電子信號量小于前者，所以信噪比也不如前者，如圖5-39。

圖5-39 BSE（左）和InBeam-BSE（右）探測器受形貌影響的對比

　　對于能觀察到通道襯度的平整樣品來說，BSE探測器顯然有更好的通道襯度，更有利于晶粒的區(qū)分，如圖5-40。

圖5-40 BSE（左）和InBeam-BSE（右）探測器通道襯度的對比

　?、躍TEM探測器的應用

　　電子束轟擊到試樣上形成水滴狀的散射，但當試樣足夠薄時，電子束的散射面積還沒有擴大就已經(jīng)透射樣品，所以此時各種信號的分辨率較常規(guī)樣品更高，STEM探測器也有更好的分辨率。

　　STEM探測器由于需要樣品經(jīng)過特殊的制樣，雖然在掃描電鏡中不常用，但是卻有著所有探測器中最高的分辨率。當二次電子和背散射電子探測器分辨率都達不到要求時，可以嘗試STEM探測器。如圖5-41，二次電子探測器在20萬倍下已經(jīng)分辨率不夠，而STEM放大至50萬倍也能很好的區(qū)分。

圖5-41 SE（左）和STEM（右）探測器分辨率的對比

　　此外，對于一些納米級的小顆粒，因為團聚厲害，二次電子即使在低電壓下也難以將其區(qū)分，且分辨率也不好，而STEM探測器通過透射電子來進行成像，對小顆粒的區(qū)分能力要強于其它探測器。如圖5-42，STEM探測器可以區(qū)分團聚在一起的更小的單個納米顆粒，而二次電子探測器則觀察到團聚在一起的顆粒。

圖5-42 STEM（左）和InBeam-SE（右）探測器對團聚納米顆粒的分辨對比

　　掃描電子顯微鏡中的STEM探測器雖然分辨率是最高的，但是和透射電鏡的分辨率相比還是相形見絀。不過掃描電鏡的電壓要遠小于透射電鏡，所以掃描電鏡的STEM相比TEM有著更好的質(zhì)厚襯度。所以對一些不是非常注重橫向分辨率，但特別注重質(zhì)厚襯度的樣品，如一些生物樣品、石墨烯等，掃描電鏡的STEM探測器可以表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。

　　如圖5-43，為10kV下觀察到的石墨烯試樣，圖5-44為生物樣品在掃描STEM和TEM下的對比。

圖5-43 STEM探測器在10kV下拍攝的石墨烯試樣

圖5-44生物試樣在SEM STEM探測器和TEM的對比

　?、荻嗵綔y器同時成像

　　TESCAN泰思肯掃描電子顯微鏡具有四個獨立的通道放大器，可以進行四個探測器的同時成像。如果分辨不清楚用何種探測器時，可以選擇多種探測器同時成像。然后在軟件中將需要的圖像進行通道分離，如圖5-45。

圖5-45四探測器同時成像