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第3楼2006/08/24
冷热场发射扫描电镜比较
1.电子源
冷热场发射源各有优势。热场在总发射电流(Total emission current)、最大探针电流(Maximum probe current)、电子束噪声(Beam noise)、发射电流漂移(Emission current drift)、工作真空(Operating vacuum)、阴极还原(Cathode regeneration)、对外部影响的敏感性(Sensitivity to external influence)等方面都具有绝对的优势。这些参数直接影响电镜的性能,这也是冷场发射所望尘莫及的。
在阴极半径(Cathode radius)、有效电子源半径(Effective source radius)、发射电流密度(Emission current density)、标准亮度(Normalised brightness)等方面,冷场发射略胜一筹。
这几个参数总起来说就是冷场发射阴极的面积较小、能量集中,便于将电子束聚焦于一个很小的点,以提高分辨率。但是在现代的电镜技术条件下,热场发射电镜通过采取各种有效措施,也能够将电子束汇聚于一个理想的点,达到一般冷场发射电镜的分辨率水平。
热场发射电镜主要的一个缺点是灯丝(阴极)寿命较短,一般给定寿命2000小时,实际可用3年左右。而冷场发射阴极寿命相对较长,且更换费用较低。
2.电镜性能
2.1 分辨率
一般的通用场发射扫描电镜较高档次的分辨率均可达到1nm@15kV,在这方面冷场和热场没有明显差别。个别型号的冷场发射扫描电镜分辨率可达到0.6或0.5nm,但是这种电镜的使用是非常局限的,样品只能有几毫米大小,在各种分析方面都受到很大限制,且价值昂贵。
2.2 稳定性
冷场发射电镜灯丝要吸附电子枪内的残留气体,随着时间的增长,发射电流越来越不稳定,需要定时(大约8小时一次)进行加热还原(flash,约需半小时),给使用维护带来不便。而热场发射电镜无此烦恼。
热场发射电镜的发射电流稳定度较好,漂移小于0.5%/h(有的电镜可达到0.2%/h),而冷场发射则比这要大一个数量级。
2.3 最大探针电流
热场发射电镜探针电流一般可达10nA以上,而冷场电镜却要低约1个数量级。
2.4 工作真空度
热场发射电镜电子枪所需的工作真空度较低(≤1x10-8hPa),比较容易达到,一般只用一级离子泵就可以了。而冷场电镜的工作真空度要高2个数量级,一般要用两级离子泵,对真空密封等要求苛刻,娇气,难以维护。冷场发射电镜样品室的真空度要求也较高,这对于不太清洁、含水、含油、有气体析出的样品,抽真空就很困难。
有多种型号的热场发射电镜具有低真空方式,而冷场电镜难以达到。
由于上述原因,热场发射电镜可适用于各种分析工作(EDS、WDS、CL、EBSD、EBIC等),而冷场电镜则受到一些局限。
目前欧美地区比较推崇热场发射电镜,而日本较热衷于冷场发射电镜。一般说来,热场发射电镜与冷场发射电镜相比具有较多的优势。除非一定要特别高的分辨率,且只做几毫米尺寸样品的形貌观察,而且要有足够的币子,否则应选择热场发射为宜。