一文带您了解场发射扫描电镜

1. 工作原理

扫描电子显微镜以电子束为光源，以光栅式扫描方式将精细聚焦的电子束照射到样品上。二次电子、背散射电子等。电子与样品之间相互作用所产生的电子然后被收集和处理，以获得显微形貌的放大图像

普通热发射扫描电子显微镜相比，场发射扫描电子显微镜具有更高的亮度和更小的电子束直径，即更小的束斑尺寸和更高的分辨率。是纳米尺度微区形貌分析的首选。

2. 文书组成

场发射扫描电子显微镜由场发射电子枪、电子束推进器、聚光透镜（电磁透镜）、孔径、物镜（电磁透镜）、扫描线圈、极片和探测器组成。

1. 场发射电子枪

场发射电子枪分为冷场发射电子枪和热场发射电子枪。冷场发射电子枪的电子束直径最小，亮度最高，分辨率最高，但对真空度要求极高（10—10托），稳定性差。它需要一个闪光（短时间加热到2500K的尖端）恢复，由于稳定性问题，一些扩展的分析功能无法实现。热场发射电子枪的最大特点是束流大、稳定性强，但分辨率差（电子能量色散大）

为了提高分辨率和保证电子束的稳定性，采用肖特基场发射电子源在钨单晶上镀上一层氧化锆涂层。氧化锆将纯钨的功函数从4.5eV降低到4.5eV.2.8eV，并且高电场的应用缩小并降低势垒，使得电子很容易用热能跳过势垒（而不是隧道效应）并从针尖表面逃逸。所需的真空度约为10—8～10—9托

肖特基场致发射电流稳定性好，总电流大，分辨率大大提高（比冷场致发射稍差）。它的功能和发展远高于冷场发射。热场发射目前已广泛应用于商业应用中。基本上就是肖特基场发射。

2.电容器

等势线与磁力线正交，通过透镜间隙向两端延伸，形成会聚场，相当于一个“凸透镜”。电子束通过中间时，受到强磁场的偏转和聚焦，使大直径的电子束通过聚光镜后会聚成小直径的束斑。

3. 孔径

按孔径大小分为大孔径光阑和小孔径光阑。通过大口径光阑的束流较大，可以增强X射线信号。通过小孔径光阑的束流较小，可以减少电荷量，提高成像质量。

4. 物镜

物镜位于镜筒底部，用于将电子束聚焦在样品上。通过聚焦旋钮调节目标电流，可以改变电子束的聚焦。

德国蔡司公司研制出一种复合磁/静电物镜，保证物镜下没有磁场泄漏。能够获得高纯度的二次电子信号，这有助于提高分辨率。一方面，磁性材料可以在近距离和高分辨率下观察到。另一方面，也有可能在大写字段中实现无失真。

5.探测器

电子束轰击样品表面，相互作用产生二次电子、背散射电子等。电子的空间分辨率取决于加速度电压和样品密度。这些电子信号由不同的探测器采集并处理成图像。下面介绍几种常见的电子探测器：

1) 透镜内二次电子探测器（透镜内SE）

透镜内检测器位于物镜上方。通过控制物镜中的电极板电压来选择进入探测器的电子信息。低角度下的电子信息越多，图像就越清晰。这些探头适用于高分辨率表面形貌成像，即分析样品细节。

2）Everhart-Thornley（ET）型二次电子探测器

ET二次电子探测器位于样品室内，由集电极栅、闪烁体、光导、光电倍增管和前置放大器组成。。收集栅收集的电子被加速，在闪烁体上形成光子。形成的光子通过光电倍增管和光管，转换成电信号，经放大器放大后输出。这种类型的探针适用于观察样品的形态对比度，具有很强的立体感。充电影响小。良好的Z对比度。细节很容易受到信号扩散和高倍下清晰度不足的影响

3）后向散射检测器

背散射探测器是一种电子探测器，它可以气动地缩回。即使在低电压下也能高效率地识别材料特性。它有五个独立的二极管部分，一个内部后方中心环，和四个外部象限。内部段（S1）主要反映材料对比，而外部四个象限（S2至S5）更多地用于反映形式对比。。BSD探测器受电荷的影响较小，通常比二次电子图像具有较低的分辨率。

审核编辑 黄宇