扫描电子显微镜电子枪的分类与特点介绍

扫描电子显微镜电子枪是产生具有确定能量电子束的部件，是由阴级(灯丝)、栅级和阳级组成。灯丝主要有钨灯丝、LaB6和场发射三类。

①钨灯丝电子枪:

灯丝是钨丝，在加热到2100K左右，电子能克服大约平均4.5eV的逸出功而逃离，钨灯丝是利用热效应来发射电子，不过钨灯丝发射由子效率比较低，要达到实用的电流密度，需要较大的钨丝发射面积，一般钨丝电子源直径为几十微米，这样大的电子源直径很难进一步提高分辨率。还有，钨灯丝亮度差、电流密度低、单色性也不好，所以钨灯丝目前更高只能达到3nm的分辨率，实际使用的放大倍数均在十万倍以下。不过由于钨灯丝价格便宜，所以钨灯丝扫描电镜得到了广泛的应用。

②LaB6电子枪:

要提高sem扫描电镜的分辨率，就要提高电子枪的高度，而一些金属氧化物或者硼化物在加热到高温之后(1500~2000K)，也能克服平均逸出功2.4el而发射热电子，比如LaB6，曲率半径为几微米。

LaB6灯丝亮度能比钨灯丝提高数倍。因此LaB6灯丝扫描电镜有比钨灯丝更好的分辨率。除了LaB6外，类似的还有CeB6等材料。不过目前在sem扫描电镜领域，LaB6灯丝价格并不便宜，性能相对钨灯丝提升有限，另外就是场发射的流行，使得LaB6灯丝的使用并不多见。

③场发射电子枪:

1972年，拥有更高亮度，更小电子束直径的场发射扫描电镜实现商品化，将sem扫描电镜的分辨率推向了新的高度。场发射电子枪的发射体是钨单晶，并有一个级细的，其曲率半径为几十纳米到100nm左右，在钨单晶的加上强电场，利用量子隧道效应就能使其发射电子。场发射由子枪的结构钨单晶为负电位，阳级也称取出电级，比阴级正几千伏，以吸引电子，DI二阳级为零电位，以加速电子并形成10nm左右的电子源直径。场发射电子枪的钨单晶灯丝结构，只有钨灯丝支撑的非常小的为单晶。

场发射电子枪又分为冷场发射和热场发射。

热场发射的钨阴级需要加热到1800K左右，发射面为<100>或<111>取向，单晶表面有一层氧化锆，以降低电子发射的功函数(约为2.7eV)

冷场发射不需加热，室温下就能进行工作，其钨单晶为<310>取向，逸出功*小，利用量子隧道效应发射电子。

冷场电子束直径，发射电流密度 能量扩展(单色性)都优于热场发射，所以冷场电镜在分辨率上比热场更有优垫。不过冷场电镜的束流较小(一般为2nA)，稳定性较差，没个几小时需要加热一次，对需要长时间工作和大束流分析有不良影响。

热场发射虽然电子束直径，能量扩展不及冷场，但是随着技术的发展，其分辨率也越来越接近冷场的水平，有的甚至还超越了冷场。特别是热场电镜束流大，稳定性好，有着非常广阔的应用范围。