扫描电镜基础知识（一）

扫描电镜是自上世纪60年代作为商用电镜面世以来迅速发展起来的一种新型的电子光学仪器，被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造、微电路检查等各个研究领域和工业部门。

1、光学显微镜以可见光为介质，扫描电镜以电子束为介质，由于电子束波长远较可见光小，故扫描电镜分辨率远比光学显微镜高。光学显微镜放大倍率Zgao只有约1500倍，扫描电镜可放大到10000倍以上。

2、根据de Broglie波动理论，电子的波长仅与加速电压有关：λe=h/mv=12.2/√(V)(Å)。在10KV的加速电压之下，电子的波长仅为0.12Å，远低于可见光的4000-7000Å，所以扫描电镜分辨率自然比光学显微镜优越许多，但是扫描电镜的电子束直径大多在50-100Å之间，电子与原子核的弹性散射与非弹性散射的反应体积又会比原有的电子束直径增大，因此一般穿透式电子显微镜的分辨率比扫描电镜高。

3、扫描电镜有一重要特色是具有超大的景深，约为光学显微镜的300倍，使得扫描电镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的样品。

4、扫描电镜，其系统设计由上而下，由电子枪发射电子束，经过一组磁透镜聚焦聚焦后，用遮蔽孔径选择电子束的尺寸后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜聚焦，打在样品上，在样品的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子或背向散射电子成像。

5、电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布要小，目前常用的种类计有三种，钨(W)灯丝、六硼化镧(LaB6)灯丝、场发射，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。

6、热游离方式电子枪有钨(W)灯丝及六硼化镧(LaB6)灯丝两种，它是利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数能障而逃离。对发射电流密度有重大影响的变量是温度和功函数，但因操作电子枪时均希望能以Zdi的温度来操作，以减少材料的挥发，所以在操作温度不提高的状况下，就需采用低功函数的材料来提高发射电流密度。

7、价钱Z便宜使用Z普遍的是钨灯丝，以热游离式来发射电子，电子能量散布为2eV，钨的功函数约为4.5eV，钨灯丝系一直径约100µm，弯曲成V形的细线，操作温度约2700K，电流密度为1.7/cm2，在使用中灯丝的直径随着钨丝的蒸发变小，使用寿命约为40~80小时。

8、六硼化镧(LaB6)灯丝的功函数为2.4eV，较钨丝为低，因此同样的电流密度，使用LaB6只要在1500K即可达到，而且亮度更高，因此使用寿命便比钨丝高出许多，电子能量散布为1eV，比钨丝要好。但因LaB6在加热时活性很强，所以必须在较好的真空环境下操作，因此扫描电镜的购置费用较高。

9、场发射式电子枪则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出10-100倍，同时电子能量散布仅为0.2-0.3eV，所以目前市售的高分辨率扫描电镜都采用场发射式电子枪，其分辨率可高达1nm以下。

10、场发射电子枪可细分成三种:冷场发射式(FE)，热场发射式(TF)，及萧基发射式(SE)。

11、当在真空中的金属表面受到10^8V/cm大小的电子加速电场时，会有可观数量的电子发射出来，此过程叫做场发射，其原理是高电场使电子的电位障碍产生Schottky效应，亦即使能障宽度变窄，高度变低，因此电子可直接"穿隧"通过此狭窄能障并离开阴极。场发射电子系从很尖锐的阴极所发射出来，因此可得极细而又具高电流密度的电子束，其亮度可达热游离电子枪的数百倍，或甚至千倍。

12、场发射电子枪所选用的阴极材料必需是高强度材料，以能承受高电场所加诸在阴极的高机械应力，钨即因高强度而成为较佳的阴极材料。场发射枪通常以上下一组阳极来产生吸取电子、聚焦、及加速电子等功能。利用阳极的特殊外形所产生的静电场，能对电子产生聚焦效果，所以不再需要韦氏罩或栅极。diyi(上)阳极主要是改变场发射的拔出电压，以控制针尖场发射的电流强度，而第二(下)阳极主要是决定加速电压，以将电子加速至所需要的能量。

13、要从极细的钨针尖场发射电子，金属表面必需完全干净，无任何外来材料的原子或分子在其表面，即使只有一个外来原子落在表面亦会降低电子的场发射，所以场发射电子枪必需保持超高真空度，来防止钨阴极表面累积原子。由于超高真空设备价格极为高昂，所以一般除非需要高分辨率扫描电镜，否则较少采用场发射电子枪。

14、冷场发射式Zda的优点为电子束直径Z小，亮度Zgao，因此影像分辨率Zyou。能量散布Z小，故能改善在低电压操作的效果。为避免针尖被外来气体吸附，而降低场发射电流，并使发射电流不稳定，冷场发射式电子枪必需在10^-10torr的真空度下操作，虽然如此，还是需要定时短暂加热针尖至2500K(此过程叫做flashing)，以去除所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流Z小。

15、热场发式电子枪是在1800K温度下操作，避免了大部份的气体分子吸附在针尖表面，所以免除了针尖flashing的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较差的真空度下(10^-9torr)操作。虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷式大3~5倍，影像分辨率较差，通常较不常使用。

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