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知识中心场发射扫描电镜 场发射扫描电镜与一般的扫描电镜有什么区别
2020-02-24 00:22:26
来源：朵拉利品网
1, 场发射扫描电镜与一般的扫描电镜有什么区别
利用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy TEM，台译穿透式电子显微镜）可以直接获得一个样本的投影。在这种显微镜中电子穿过样本，因此样本必须非常薄。组成样本的原子的原子量、加速电子的电压和所希望获得的分辨率决定样本的厚度。样本的厚度可以从数纳米到数微米不等。原子量越高、电压越低，样本就必须越薄。通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。使用这个像可以分析样本的晶体结构。 场发射扫描电子显微镜是一种比较简单的电子显微镜，它观察样本上因强电场导致的场发射所散发出来的电子。假如观察的是透过样本的扫描电子的话，那么这种显微镜被称为扫描透射电子显微镜
2, 场发射扫描电镜与普通的扫面电镜有什么区别？
扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子枪 （Electron Gun） 发射电子束，经过一组磁透镜聚焦 （Condenser Lens） 聚焦后，用遮蔽孔径 （Condenser Aperture） 选择电子束的尺寸（Beam Size）后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜 （Objective Lens） 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 （Secondary Electron） 或背向散射电子 （Backscattered Electron） 成像。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。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（work function）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最低的温度来操作，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。价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝，以热游离 （Thermionization） 式来发射电子，电子能量散布为 2 eV，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1.75A/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。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 1 eV，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，因此仪器的购置费用较高。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 - 0.3 eV，所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪，其分辨率可高达 1nm 以下。目前常见的场发射电子枪有两种：冷场发射式（cold field emission , FE），热场发射式（thermal field emission ,TF）当在真空中的金属表面受到108V/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尖端所发射出来，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。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尖端的高机械应力，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。第一（上）阳极主要是改变场发射的拔出电压（extraction voltage），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。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SEM，否则较少采用场发射电子枪。冷场发射式最大的优点为电子束直径最小，亮度最高，因此影像分辨率最优。能量散布最小，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10-10 torr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最小。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（10-9 torr）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。
4, 扫描电镜 场发射电镜
电子显微镜属于高能物理范畴仪器，高能电子与物质原子相互作用，发生散射。其中非弹性散射将高能电子的部分或全部能量被物质原子吸收，物质被电离，在电离复合的过程中，能量以其他形式，如X射线发射出去。其中穿透力最强的是X射线。X射线在穿透其他物质时，可以引起其他物质电离，所以对于人体来讲，X射线是有害的。一般扫描电镜电子枪最高加速电压30千伏，很多情况下使用和过去的CRT电视（一般20千伏）电子枪能量相当。而可能激发的X射线最高能量不超过30Kev. 而30kev能量X射线，在铁中的最大穿透深度不超过1mm。一般从电子枪到样品室，都是真空环境，也算是有金属防护，最大危害的电离辐射都能屏蔽掉。而诸如磁透镜的电磁场，分布非常集中，很难扩散到镜筒外部。对于场发射扫描电镜来说，使用超级强电场实现电子枪阴极材料发射电子的势垒极度降低，以至于产生隧道电流，从而大幅度提高电子发射效率。 这个超级强电场可高达 10亿伏/米。按照常规宏观来理解，这是不可思议的电场强度，据说闪电可达到。这要在宏观上发生，那个破坏威力相当的大，甚至没有物质可以绝缘。幸运的是，在场发射扫描电镜中，这个超级强电场只发生在曲率半径只有几十纳米的阴极表面。而随着距离的增加，电场强度急剧下降，距离阴极表面1mm的地方，电场已经下降到几个伏特。这几个伏特，就是实现场发射的根本动力。由此类似方法，还制作了扫描隧道显微镜。场发射显示器正在发展中，超级节能。
名词解释
X射线
X射线（又称伦琴射线）是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流，其波长约介于0.01~100埃之间，是波长介于紫外线和γ射线之间的电磁波。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现。 x射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应。X射线最初用于医学成像诊断和X射线结晶学。X射线也是游离辐射等这一类对人体有危害的射线。 2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，X射线和伽马射线辐射在一类致癌物清单中。
电场
电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。电场这种物质与通常的实物不同，它不是由分子原子所组成，但它是客观存在的，电场具有通常物质所具有的力和能量等客观属性。 电场的力的性质表现为：电场对放入其中的电荷有作用力，这种力称为电场力。电场的能的性质表现为：当电荷在电场中移动时，电场力对电荷做功（这说明电场具有能量）。
电子枪
电子枪是产生、加速及会聚高能量密度电子束流的装置，它发射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的电子束，又称电子注。电子枪的应用有非弹性电子散射和荧光屏发光等等。
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