电子通道衬度成像（ECCI）原理及在晶体缺陷分析中的应用

2023-09-09 11:06:10, 赛默飞赛默飞材料表征仪器

晶体是大量结构单元（原子或者分子）在空间规则周期排列形成的，当原子或者分子堆砌出现错误时，便会形成缺陷，按照缺陷引起的畸变的维度大小，可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷（位错，层错，晶界等），缺陷的类型、数量、晶粒间的取向关系等与材料的宏观性能密切相关。

通常研究人员使用透射电子显微镜（TEM）观察晶体缺陷，但是透射电镜对于样品制备要求较高，厚度一般要求100nm以下且观察区域较小。因此，随着高性能扫描电子显微镜SEM技术的进步，越来越多的研究者选择通过SEM配备的背散射电子探测器，基于电子通道衬度原理（ECCI），表征块体材料的晶体缺陷。进一步结合EBSD和或摇摆电子束功能技术可以对衍射条件（g矢量）、位错类型及伯氏矢量等进行深入的分析，由于其高通量、高效率、高分辨率的特点，在金属、陶瓷及半导体材料的晶体缺陷研究中应用越来越广泛。

电子通道效应是指当入射电子束与晶格满足布拉格衍射条件时，晶格点阵对电子的反射大大减弱，大量电子得以穿透晶格，呈现出“通道”效应（如图1所示）。对于完整晶体，当入射电子束相对于晶格的入射角度连续变化时，会出现通道效应和背散射效应的交替变化，最终在BSD探测器上叠加后显现出类似于菊池花样的衍射图像，称为电子通道花样（ECP），该现象最早是在1967年D.G.Coates用SEM观察锗、硅等单晶体时发现的^【1】。

图1、a. 背散射衬度（亮） b. 通道衬度（暗）

c. 晶粒内存在缺陷

电子通道效应和入射电子束与晶体晶面的夹角相关，当电子束入射方向小于θB（布拉格衍射角）背散射电子数量较大，进入晶体的几率较小，属于禁道，在BSE图像上显示较亮的区域；当电子束入射方向大于θB （布拉格衍射角）背散射电子数量较小，进入晶体的几率较大，属于通道，在BSE图像上显示较暗的区域^【2】。多晶材料包含不同取向的晶粒，呈现出不同的图像衬度，因此不需要进行样品腐蚀便可通过ECCI得到不同晶粒的取向衬度；对于单晶或者多晶材料，当存在晶体缺陷（位错、层错、晶界）或者样品经过形变处理，通过摇摆电子束法获取指定晶粒的通道效应，晶粒与缺陷相对于入射电子束的夹角不同，从而呈现出不同的衬度。

图2、通道效应的衬度差示意图

电子通道效应主要来源于500埃的表面层，可以反映样品表面的缺陷，同时样品表面状态也会影响电子通道图像的质量，为了获得优异的ECC图像，样品制备可以采用振动抛光、电解抛光或者氩离子抛光等方法获取表面无氧化、无脏污、无应力的镜面。

因为电子通道衬度效应非常弱，且要满足一定的电子光学条件，尤其衬度分辨率及角分辨率是电子通道成像质量的重要影响因素，对于电镜提出了更高要求，尤其是镜筒光路设计、探测器的灵敏度、样品台精度等。基于以上要求，如何获得质量优异的ECC图像？

为了获得观察晶粒的ECP，采用适当的入射电子扫描方式（光路设计）使入射电子束相对于晶面连续改变其入射角。目前有2种方法（电子束扫描法和电子束摇摆法），其中电子束扫描法适合于单晶样品，电子束摇摆法适用于单晶或者多晶样品。赛默飞的Apreo 2及Verios 5通过配置的选区电子衍射功能（SACP）可以自动获得对应晶粒的ECP，如图3所示。

图3、不同的入射电子扫描方式

a. 电子束扫描法 b. 电子束摇摆法

因为电子通道效应衬度较低，图像的衬度分辨率是重要的影响因素。为了克服统计涨落噪音，结合赛默飞高灵敏度的背散射电子探测器T1（镜筒内BSE探测器）及DBS，对于加速电压、探针束流等参数设定，提供如下参考（不同材料对应的参数也会有区别，需要根据实际情况调整）：

加速电压：20-30kv

探针束流：1-4nA

图像分辨率：最好大于 1536X1092

Dwell Time ：10-20us

如下为使用Apreo 2在多晶及单晶材料中获取ECCI的应用案例

对于多晶材料，比如金属及陶瓷可以观察其取向衬度及变形后缺陷，如下图4a为SLM制备316L不锈钢的微观组织，将图中红框位置放大（图4b）可以看到产生通道效应晶粒内部的大量位错胞，图像放大之后（图4c）可见析出相（黑色颗粒）与位错相互关系。

图4、SLM制备316不锈钢的ECCI

压电陶瓷材料在外加电场或机械应力作用下，其晶胞结构发生微小形变，发生正负电荷分离和极化，在材料内部形成电畴，常用于压电器和传感器等，电畴的形成基于材料的晶体结构变化。通过ECCI除了可以观察压电陶瓷晶粒取向衬度外，还可以观察其内部电畴分布情况，图5为Na0.5K0.5NbO3压电陶瓷外加电场后采集的电畴ECCI结果。