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钨灯丝、冷场、热场扫描电镜的区别及应用(转载)  

2014-08-19 18:14:26|  分类: SEM |  标签: |举报 |字号 订阅

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场发射分热场和冷场,共性是分辨率高。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,维护要求不算高。   冷场发射电子枪  优点:单色性好,分辨率高  缺点:电子枪束流不稳定,束流小,不适合做能谱分析,每天要做一次Flash 热场发射电子枪  优点:电子束稳定,束流大  缺点:与冷场相比除了单色性和分辨率略差点外,其它找不出缺点。   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)等方面都具有一等的优势。这些参数直接影响电镜的性能。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发射面积较小、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,达到冷场发射电镜的分辨率水平。  电子枪发射的电流强度很小,微安级别和纳安级别,为防止气体电离造成的大电流击穿高压电源,都需要高真空环境。电子枪阴极都属于耗材系列。 差异和优劣:   1、点源直径不同及优劣:钨灯丝电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝制成V形(发叉式钨丝阴极),使用V形的尖端作为点发射源,曲率半径大约为0.1mm;场发射电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝,经过腐蚀制成针状的尖阴极,一般曲率半径在100nm~1μm之间。由于制作工艺上的差异,造价不同,发叉式钨丝阴极便宜,场发射阴极很贵。 2、发射机制不同和优劣         钨灯丝属于热发射,在灯丝电极加直流电压,钨丝发热,使用温度一般在2600K~2800K之间,钨丝有很高的电子发射效率,温度越高电流密度越大,理想情况下的的电子枪亮度越高。由于材料的蒸发速度随温度升高而急剧上升,因此钨灯丝的寿命比较短,一般在50~200小时之间,这个和设定的灯丝温度有关。由于电子发射温度高,发射的电子能量分散度大,一般2ev, 电子枪引起的色差会比较大。        场发射电子枪主要的发射机制不是靠加热阴极,而是在尖阴极表面增加强电场,从而降低阴极材料的表面势垒,并且可以使得表面势垒宽度变窄到纳米尺度,从而出现量子隧道效应,在常温甚至在低温下,大量低能电子通过隧道发射到真空中,由于阴极材料温度低,一般材料不会损失,因此寿命很长,可使用上万小时。  3、电子枪控制方式和电子源直径不同和优劣性。       钨灯丝是三极自给偏压控制,具有偏压负反馈电路,因此发射电流稳定度高;由于阴极发射点源面积大,因此电子源尺寸也比较大,50~100μm,发射可达几十~150μA,但电子枪的亮度低,因此当电子束斑聚焦到几个纳米的时候,总的探针电流很小, 信噪比太低是限制图像分辨率的根本因素,当前最佳钨灯丝扫描电镜最佳分辨率3.0nm.        场发射电子枪没有偏压负反馈电路,外界电源的稳定度是决定因素,发射电流稳定度相比要低一些;由于尖阴极发射电源面积很小100nm左右,没有明显的电子源,因此使用虚电子源作为电子光学系统设计的初始物而存在,电子虚源直径一般在2~20nm,电子枪亮度相比钨灯丝提高上千倍。当束斑尺寸缩小到1nm以下时依然具有足够强的探针电流来获得足够的成像信号,因此分辨率高,当前最佳的场发射扫描电镜分辨率实现了亚纳米级别。 4、系统真空度不同及优劣       钨灯丝扫描电镜使用一般的高真空,两级真空泵系统获得0.001pa的真空度即可满足,因此造价低。
场发射扫描电镜使用超高真空,需要三级真空泵必须获得0.0000001Pa以上的真空度才可以稳定工作。原因在于电子枪尖阴极不耐较低的真空中被电离的离子轰击,否则枪尖很容易被扫平而失效,这时候的性能还不如钨灯丝,其次电子枪阴极尖端在较低的真空下,吸附的气体分子会急剧加大阴极材料的表面势垒,造成电子枪发射不稳,亮度降低,所以必须使用超高真空一般是10的-8次方。 超高真空系统的造价明显比钨灯丝高很多。超高真空的洁净度要好于钨灯丝的一般高真空,因此很长时间,也就是在灯丝寿命内,系统可以免清洗和维护。钨灯丝扫描电镜相对维护周期要短一些。   5、钨灯丝和场发射是具有明显档次差异的,这也从价格上明确反映。钨灯丝扫描电镜十几万,场发射几十万,都是美元。

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