电子枪：扫描电镜和透射电镜的重要组成部分

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：电子枪是产生电子束的装置，是扫描电镜和透射电镜的重要组成部分。图3-3各种电子枪的外观结构LaB6灯丝。这里电子的发射是外场作用的结果，其单色性显著优于热电子发射的W灯丝和LaB6灯丝。FEG的寿命大致为12个月，但其价格极高，在1万美元左右。表3-1热电子和场发射型电子枪的特性电子枪的性能主要表现在两个方面：达到对于微区进行分析的目的。

电子枪是产生电子束的装置，是扫描电镜和透射电镜的重要组成部分。电子枪最重要的部件为灯丝，从发展历史上看，可将灯丝分为三大类：钨灯丝、LaB6灯丝和场发射电子枪，各个灯丝外观结构如图3-3所示。

（1）钨灯丝（W filament）。钨（W）是一种高温金属，其熔点在常压下高达3 400℃。很早以来，W一直作为制造白炽灯的灯丝材料。早期的电子显微镜是使用W作为灯丝。由于该灯丝形如发叉，所以又被称为发叉灯丝。W灯丝的工作温度可以高达2 800℃。此时被加热的W金属产生大量的热电子，在脱离灯丝后由于外电场的作用而加速，形成可用于成像的电子束。由于加热温度很高，热电子的能量分布在一个很宽的范围，因此其单色性很差。W灯丝的价格便宜，更换简单，但亮度低而且寿命短（一般为几周）。

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图3-3　各种电子枪的外观结构

（2）LaB6灯丝。利用LaB6单晶可以制造出LaB6灯丝，其电子束由LaB6的特定晶面发射，而其工作温度只有1 800℃，明显低于W灯丝。从统计物理可知，较低的发光温度将导致电子发射时的能量分布范围比较窄，亦即单色性会有所改善。LaB6灯丝的亮度明显优于W灯丝，单色性也有所改进，灯丝更换与W灯丝相同，并不复杂，而其寿命则可长达6～12个月。缺点是其价格要远高于W灯丝，同时在使用时需要慢速增加电流，否则将明显缩短灯丝寿命。从TEM角度讲，使用W灯丝和LaB6灯丝其灯丝架是通用的。也就是说，一台TEM既可以使用W灯丝又可以使用LaB6灯丝。可以在购买TEM后根据实际需要在两者之间进行选择。

（3）场发射枪（field-emission gun，FEG）。FEG可以分为热场发射和冷场发射两类。热场发射的基本原理是将W单晶或Zr O单晶制备成曲率半径为100 nm左右的针尖，加热至1 600～1 800℃，然后施加强电场，使针尖上的电子可以克服势垒发射出来。这里电子的发射是外场作用的结果，其单色性显著优于热电子发射的W灯丝和LaB6灯丝。在冷场发射电子枪中，当外加电场进一步增加时，除了可以降低势垒的高度外，势垒宽度也会下降。当势垒宽度小于10 nm后，电子发射的主导机制为量子隧道效应。大多数电子在室温下的动能虽然不足以克服势垒高度而逸出表面，但大量电子会因为隧穿效应而穿透势垒，逸出表面，形成较大的发射电流。所以说，冷场发射的发射本质是量子隧道效应。

热场和冷场电子枪的共性是分辨率高。两者相比较，冷场发射最大的优点为电子束直径最小，亮度最高，因此图像亮度高而分辨率小的能量分布，能改善低电压操作的效果。但针尖易吸附外来气体，而使场发射电流降低且不稳定，所以冷场发射式电子枪需在10-10 Torr的真空度下操作，还需要定时短暂加热针尖至2 500 K（此过程叫做flashing），以去除阴极尖端吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流较小。热场发式电子枪在1 800 K温度下操作，避免了外部气体分子吸附在针尖表面，所以免除了针尖flashing的需要。热场发射能维持较好的发射电流稳定度，并能在较差的真空度（10-9 Torr）下操作。虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量分布却比冷场大3～5倍，图像分辨率较差。总体而言，热场的束流大些，适合进行分析，但维护成本相对较高，维护要求高。冷场做表面形貌观测是适合的，相对而言维护成本低些。

高亮度、高相干性是场发射电子枪的主要优势。FEG的寿命大致为12个月，但其价格极高，在1万美元左右。场发射的电子枪结构设计完全不同于常规电子枪，所以电镜的枪体无法与W灯丝或LaB6灯丝共用。表3-1给出了此三种灯丝的性能比较。

表3-1　热电子和场发射型电子枪的特性

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电子枪的性能主要表现在两个方面：

（1）达到对于微区进行分析的目的。

（2）亮度对于低倍观察（＜100 000），亮度一般不会成为重要问题，但在高倍情况下亮度对图像的影响较大。

电子枪：扫描电镜和透射电镜的重要组成部分

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