钨灯丝、冷场、热场扫描电镜的区别
 
    扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子  (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，其分辨率可高达  1nm  以下。
    目前常见的场发射电子有两种: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的数百倍，或甚至千倍。
    场发射电子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。
    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。
扫描电子显微镜之--电子结构原理及重要参数
我们的歌 王力宏
SEM--基础 2010-06-21 14:10:42 阅读114 评论0   字号：大中小 订阅
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歪唱
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     电子是扫描电子显微镜电子光学系统主要部件之一，从电子阴极（灯丝）发射的电子，在加速电场（静电透镜）中汇聚形成的第一个最小光斑称作栗儿电子源，电子源是作为电磁透镜成像系统的“物”而存在，电子源可被电磁透镜放大和缩小（扫描电镜电磁透镜，按照高斯成像规则，对电子源进行缩小），电子源的亮度和电子能量分散是电镜电子的两个重要性能指标。在一定加速电压下，决定电子源亮度和能量分散的主要因素是电子阴极发射材料，发射方式和发射温度。
      目前扫描电镜电子的发射材料主要有：钨、LaB6，YB6，TiC 或ZrC 等制造，其中W、LaB6应用最多     
      发射方式主要为：热发射，场发射
      发射温度: 常温300K（冷场发射），1500K-1800K (热场发射、肖特基Schottky热发射)，1500K-2000K（LaB6热发射），2700K( 发叉式钨丝热发射）
一、阴极发射基本原理简介：
电子提供一个稳定的电子源，以形成电子束，通常需要所谓的热发射过程从电子阴极获得这些电子。足够高的温度使得一定百分比的电子具有充分的能量E,以克服阴极材料的功函数Ew，而从阴极发射出。Ef为费米能级。
                                                                                                               
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金属中做着热运动的自由电子，其动能呈麦克斯韦分布。
1、随着温度升高，能量分散，即能量分布半高宽加宽  。E半高宽=2.45kT 
不同电子灯丝工作能量分散最低值：  钨灯丝：3000K，1.014ev        六硼化镧：1500K  0.507       场发射：300K  0.1014   
2、随着温度升高，分布向高能端移动，有机会脱离金属材料的自由电子数量增加，就会有更多的电子具有足以克服势垒的动能，只要方向合适，就会脱离金属出射。
自由电子金属热出射遵循李查德森规律：表面电流密度与温度和势垒（功函数）的关系。
  A 为与电子发射材料有关的常数
   T为阴极材料的绝对温度(K)
孙俪图片
发射电流密度与金属温度T的平方和指数来体现，T在指数的影响更大。电流密度会随着温度提高急剧增加。
功函数的影响在指数项的分母处，所以对发射也有决定性影响。每减小0.1ev的功函数，将使表面电流密度提高1.5倍。
（一）、阴极热发射：选择阴极材料，要求功函数小，而且融点高。
最常用的阴极材料是钨丝阿娇陈冠希无处理照, 融点是3650K，功函数4.5ev（功函数与晶体取向有关，单晶310为4.2ev），2500-2800K有较强的的电流发射密度（1-2A/cm?）。钨丝阴极特点是稳定，制备工艺简单，应用十分广泛。