電鏡學堂丨掃描電子顯微鏡的結構(一) - 電子光學系統(tǒng)

掃描電子顯微鏡主要由電子光學系統(tǒng)、信號收集處理系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、圖像處理顯示和記錄系統(tǒng)、樣品室樣品臺、電源系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)等組成。

第一節(jié)   電子光學系統(tǒng)

電子光學系統(tǒng)主要是給掃描電鏡提供一定能量可控的并且有足夠強度的，束斑大小可調(diào)節(jié)的，掃描范圍可根據(jù)需要選擇的，形狀完美對稱的，并且穩(wěn)定的電子束。

電子光學系統(tǒng)主要由電子槍、電磁聚光鏡、光闌、掃描系統(tǒng)、消像散器、物鏡和各類對中線圈組成，如圖3-1。

圖3-1 SEM的電子光學系統(tǒng)

§1. 電子槍（Electron Gun）

電子槍是產(chǎn)生具有確定能量電子束的部件，是由陰極（燈絲）、柵極和陽極組成。燈絲主要有鎢燈絲、LaB₆和場發(fā)射三類。

1、   鎢燈絲電子槍：

如圖3-2，燈絲是鎢絲，在加熱到2100K左右，電子能克服大約平均4.5eV的逸出功而逃離，鎢燈絲是利用熱效應來發(fā)射電子。不過鎢燈絲發(fā)射電子效率比較低，要達到實用的電流密度，需要較大的鎢絲發(fā)射面積，一般鎢絲電子源直徑為幾十微米。這樣大的電子源直徑很難進一步提高分辨率。還有，鎢燈絲亮度差、電流密度低、單色性也不好，所以鎢燈絲目前最高只能達到3nm的分辨率，實際使用的放大倍數(shù)均在十萬倍以下。不過由于鎢燈絲價格便宜，所以鎢燈絲電鏡得到了廣泛的應用。

圖3-2 鎢燈絲電子槍　    　    　    　　　　                     　　　　    　 圖3-3 LaB₆電子槍

2、 LaB₆電子槍：

要提高掃描電鏡的分辨率，就要提高電子槍的亮度。而一些金屬氧化物或者硼化物在加熱到高溫之后（1500～2000K），也能克服平均逸出功2.4eV而發(fā)射熱電子，比如LaB₆，曲率半徑為幾微米。

LaB₆燈絲亮度能比鎢燈絲提高數(shù)倍。因此LaB₆燈絲電鏡有比鎢燈絲更好的分辨率。除了LaB₆外，類似的還有CeB₆等材料。不過目前在掃描電鏡領域，LaB₆燈絲價格并不便宜，性能相對鎢燈絲提升有限，另外就是場發(fā)射的流行，使得LaB₆燈絲的使用并不多見。

3、   場發(fā)射電子槍：

1972年，擁有更高亮度、更小電子束直徑的場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）實現(xiàn)商品化，將掃描電鏡的分辨率推向了新的高度。場發(fā)射電子槍的發(fā)射體是鎢單晶，并有一個極細的尖端，其曲率半徑為幾十納米到100nm左右，在鎢單晶的尖端加上強電場，利用量子隧道效應就能使其發(fā)射電子。圖3-4為場發(fā)射電子槍的結構示意圖。鎢單晶為負電位，第一陽極也稱取出電極，比陰極正幾千伏，以吸引電子，第二陽極為零電位，以加速電子并形成10nm左右的電子源直徑。圖3-5為場發(fā)射電子槍的鎢單晶燈絲結構，只有鎢燈絲支撐的非常小的尖端為單晶。

　　　　　　　　　　　圖3-4 場發(fā)射電子槍結構示意圖　    　    　    　　　　　　　　　　      　　圖3-5 場發(fā)射電子槍W單晶尖端

場發(fā)射電子槍又分為冷場發(fā)射和熱場發(fā)射。

熱場發(fā)射的鎢陰極需要加熱到1800K左右，尖端發(fā)射面為<100>或<111>取向，單晶表面有一層氧化鋯（如圖3-6），以降低電子發(fā)射的功函數(shù)（約為2.7eV）。

圖3-6 熱場發(fā)射電子槍鎢單晶尖端

冷場發(fā)射不需加熱，室溫下就能進行工作，其鎢單晶為<310>取向，逸出功最小，利用量子隧道效應發(fā)射電子。

冷場電子束直徑，發(fā)射電流密度、能量擴展（單色性）都優(yōu)于熱場發(fā)射，所以冷場電鏡在分辨率上比熱場更有優(yōu)勢。不過冷場電鏡的束流較?。ㄒ话銥?nA），穩(wěn)定性較差，每個幾小時需要加熱（Flash）一次，對需要長時間工作和大束流分析有不良影響。不過目前Hitachi最新的冷場SEM，束流已經(jīng)能達到20nA，穩(wěn)定性也比以往提高了很多，能夠滿足一些短時間EBSD采集的需要，不過對于WDS、陰極熒光等分析還不夠。

熱場發(fā)射雖然電子束直徑、能量擴展不及冷場，但是隨著技術的發(fā)展，其分辨率也越來越接近冷場的水平，有的甚至還超越了冷場。特別是熱場電鏡束流大，穩(wěn)定性好，有著非常廣闊的應用范圍。

從各個電鏡廠商對待冷場和熱場的態(tài)度來看，歐美系廠商鐘情于熱場電鏡，而日系廠商則傾向于冷場電鏡。不過目前日系中的日本電子也越來越多的推出熱場電鏡，日立也逐步推出熱場電鏡，不過其性能與自家的冷場電鏡相比還有較大差距。

① 各種類型電子源對比：各類電子源的對比如表3-1。

表3-1 不同電子源的主要參數(shù)

SEM的分辨率與入射到試樣上的電子束直徑密切相關，電子束直徑越小，分辨率越高。最小的電子束直徑D的表達式為：

其中D為交叉點電子束在理想情況下的最后的束斑直徑，CS為球差系數(shù)、CC為色差系數(shù)、ΔV/V0為能量擴展、I為電子束流、B為電子源亮度，a為電子束張角。由此可以看出，不同類型的電子源，其亮度、單色性、原始發(fā)射直徑具有較大的差異，最終導致聚焦后的電子束斑有明顯的不同，從而使得不同電子源的電鏡的分辨率也有如此大的差異。通常掃描電鏡也根據(jù)其電子源的類型，分為鎢燈絲SEM和冷場發(fā)射SEM、熱場發(fā)射SEM。