扫描电子显微镜是一种用于高分辨率微区形貌分析的大型精密仪器。具有景深大、分辨率高, 成像直观、立体感强、放大倍数范围宽等特点。扫描电子显微镜由电子光学镜筒、样品室、真空系统、检测器和成像系统组成。电子枪的作用是发射出作为电镜照明的电子源,是整台电镜最重要的部件,其性能的优劣决定着电镜图像质量的高低。本篇文章我们就来介绍一下电子枪的种类。
电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布 (Energy Spread) 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 (Field Emission),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。场发射电子枪所选用的阴极材料必须是高强度材料,以能承受高电场所加诸在阴极尖端的高机械应力,钨因高强度而成为较佳的阴极材料。
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钨灯丝电子枪
普通扫描电镜一般采用钨灯丝电子枪
优点:对真空度要求不高,它可以在相对较低的真空度(10-3Pa)下工作,电子光学和真空结构系统都比较简单,整体造价较低。
缺点:总发射束流虽大,但束流密度小,发射效率低,信噪比较差,比较难满足拍摄超高分辨图像的需要,且化学稳定性较差,寿命短。
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LaB6电子枪
LaB6:六硼化物具有良好的金属导电性,其导电性接近于铅的电阻率。由于金属原子被结合紧密的硼原子包围,因而六硼化物的化学性能比较稳定,且LaB6是目前得到的硼化物阴极种最成熟和普及的一种阴极发射体。
优点:由于温度较低,阴极蒸发率下降,因此与寿命短的发夹形钨阴极相比,LaB6阴极的工作寿命约为钨阴极的10倍。且亮度等性能比钨阴极电子枪要好得多。
在与钨阴极产生相同的束流密度时,其束斑尺寸要比钨阴极小很多,即可在相同的束斑下得到比钨阴极更大的束流和更高的束流密度。
缺点:价格贵,维护和保养较麻烦,电子源尺寸大,影响分辨率。
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肖特基热场发射电子枪
要提高扫描电镜的分辨率主要有2种方式:一是解决照明源,只有在入射束流密度足够高的情况下,才能进一步缩小入射束斑,入射束斑足够小,分辨率才能高;
其次是尽量提高成像信息的收集效率和探测器的转换灵敏度,接收到的成像信息量越多,图像的信噪比和清晰度也就能进一步得到改善,又可以返回来进一步减小束斑,从而图像的分辨率也就越高。
可以利用高亮度的场发射电子枪作为电子源的阴极以提高束流密度,从而提高亮度。肖特基热场发射电子枪的加热电流通常在2.0-2.5A之间,钨针尖包裹氧化锆的场发射电子枪,工作温度高,便于氧化锆融化在钨表面形成覆盖层,相同的发射电场下发射电流比冷场发射的纯钨针尖要高出很多,所以具备亮度高,稳定性好,束斑和色散较小等特点,是综合性能最好的电子枪,成分高分辨的首选。
优点:使用前不需加热针尖、电子源尺寸小、亮度与冷场相似;真空度要求比冷场低10倍。
缺点:分辨率会比冷场稍差,价格高。
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冷场发射电子枪
采用单晶钨的尖端作为电子枪阴极的发射源,束流密度更高,分辨率更好。
优点:亮度比LaB6高100-1000倍,加热温度低,电子源尺寸小,亮度高。
缺点:使用前需加热针尖,需要的真空度更高,不适用于WDS,CL,EBIC等探测。
几种电子枪性能和参数对比
聚束科技高通量(场发射)扫描电子显微镜NavigatorSEM-100+配备新型电子枪,电子束落点能量范围可达30keV,涵盖绝大多数扫描电镜落点能量需求范围。NavigatorSEM-100+分辨率可达1.0nm (15keV下),较大的提高了产品分辨率。且在保证1-3kV低加速电压下可获得1.5nm高分辨率的同时,仍能保持1‰以下的低图像畸变。
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