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怎麼製作出電子束?

對於電子顯微鏡而言,最重要的就是燈絲源產生電子聚焦成的電子束,而不同的燈絲源,其製造的方式都不盡相同。今天本文帶領大家了解它們的基本功能以及各自優缺點,這將對你心目中理想實驗SEM的選擇至關重要。

 

目前市面上SEM有幾種常用的燈絲源,大致分成熱游離式(鎢燈絲,CeB6燈絲,LaB6燈絲)和場發射式(熱場發射(thermal field emission ,TFEG)和冷場發射(cold field emission , CFEG):

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上圖為各種燈絲源的示意圖。左邊兩個為熱游離燈絲源,當熱電子流向陽極時,Wehnelt圓柱
體會聚焦電子。而右邊為場發射燈絲源,第一個陽極使電子加速,而第二個陽極則聚焦電子。

熱游離燈絲源依靠熱產生電子,類似於白熾燈泡發光的方式。當電流施加到燈絲(或晶體)上時,逐漸加熱直到其電子具有足夠的能量逸出固體表面為止。但是,與白熾燈泡不同的是,熱游離燈絲源的電子必須全部沿同個方向流動以產生光束,這就是為什麼要在附近放置陽極以吸引電子並將它們傳遞到電子腔的原因。(備註:此處燈絲源充當陰極,而陽極與陰極之間的電壓差促進電子前進。)

  • 鎢燈絲:鎢燈絲相較其他材質比較便宜且易於維護,可以透過教學讓客戶自行更換燈絲,無需持續進行外部的維護。鎢燈絲就像燈泡的燈絲一樣,它們逐漸蒸發而失去質量並最終破裂,鎢燈絲是所有燈絲源中的壽命最短的。此外,由於它們的工作溫度很高,會產生較低的亮度和較寬的光束擴散,降低圖像成像品質質量(即降低成像的分辨率)。

  • LaB6和CeB6燈絲:六硼化鑭和六硼化鈰燈絲由相對應的分子單晶組成。如同鎢燈絲產生電子束的方式一樣,這些晶體會透過外在施加的電流加熱,直到有足夠的能量發射電子。與鎢相比,晶體發射電子只需較低的溫度,因此產生的亮度更高和光束擴散較窄。它們的揮發速度也比鎢低,因此使用壽命更長。但是相較之下,它們還需要較高的真空度,因此增加燈絲的總成本。

場發射燈絲源(也稱為場發射槍或FEG)使用高能電場來促使電子發射。該電場作用於鎢絲的尖端,讓高能電子穿隧離開陰極得以釋放。FEG(奈米)的發射面積比熱游離燈絲源(微米)的要小得多,從而產生了卓越的亮度,大幅提高了成像品質(即更高的分辨率和信噪比)。FEG燈絲源的壽命也最長,通常持續一年以上不需作更換。FEG燈絲源的主要劣勢是成本。使用高能電場意味著需要超高真空,使其比大多數熱游離燈絲源更昂貴。儘管如此,場發射燈絲源帶來的高分辨率、高亮度和長使用壽命使其成為廣泛應用的最佳選擇。

  • 熱場發射(TFEG)與冷場發射(CFEG)FEG燈絲源大致可分為熱場發射或冷場發射。熱場發射結合了熱游離燈絲源和場發射燈絲源的優點,透過在鎢尖端上塗覆氧化鋯,在加熱燈絲源時促進電子的熱游離發射來完成。雖然TFEG的壽命比CFEG短,並且在某些條件下(註一)的成像品質較差,但總體影像表現來說,它具有更好的穩定性及成像。(註一:某些條件即在較低的電壓下,熱場發射發射的能量散佈更大)

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原文連結: https://www.thermofisher.com/blog/microscopy/electron-source-fundamentals/

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