鎢燈絲、冷場、熱場掃描電鏡的區別

掃描式電子顯微鏡，其系統設計由上而下，由電子槍  (Electron Gun)  發射電子束，經過一組磁透鏡聚焦  (Condenser Lens)  聚焦後，用遮蔽孔徑  (Condenser Aperture)  選擇電子束的尺寸(Beam Size)後，通過一組控制電子束的掃描線圈，再透過物鏡  (Objective Lens)  聚焦，打在樣品上，在樣品的上側裝有訊號接收器，用以擇取二次電子  (Secondary Electron)  或背向散射電子  (Backscattered Electron)  成像。

電子槍的必要特性是亮度要高、電子能量散佈  (Energy  Spread)  要小，目前常用的種類計有三種，鎢(W)燈絲、六硼化鑭(LaB6)燈絲、場發射  (Field Emission)，不同的燈絲在電子源大小、電流量、電流穩定度及電子源壽命等均有差異。

熱游離方式電子槍有鎢(W)燈絲及六硼化鑭(LaB6)燈絲兩種，它是利用高溫使電子具有足夠的能量去克服電子槍材料的功函數

(work function)能障而逃離。對發射電流密度有重大影響的變數是溫度和功函數，但因操作電子槍時均希望能以最低的溫度來操作，以減少材料的揮發，所以在操作溫度不提高的狀況下，就需採用低功函數的材料來提高發射電流密度。

價錢最便宜使用最普遍的是鎢燈絲，以熱游離  (Thermionization)  式來發射電子，電子能量散佈為  2 eV，鎢的功函數約為 4.5eV， 鎢燈絲系一直徑約 100µm，彎曲成 V 形的細線，操作溫度約 2700K，電流密度為 1.75A/cm2，在使用中燈絲的直徑隨著鎢絲的蒸發變小，使用壽命約為 40~80 小時。

六硼化鑭(LaB6)燈絲的功函數為 2.4eV，較鎢絲為低，因此同樣的電流密度，使用 LaB6 只要在 1500K 即可達到，而且亮度更高， 因此使用壽命便比鎢絲高出許多，電子能量散佈為  1  eV，比鎢絲要好。但因 LaB6 在加熱時活性很強，所以必須在較好的真空環境下操作，因此儀器的購置費用較高。

場發射式電子槍則比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度又分別高出  10 - 100  倍，同時電子能量散佈僅為  0.2 - 0.3 eV，所以目前市售的高解析度掃描式電子顯微鏡都採用場發射式電子槍，其解析度可高達  1nm  以下。

目前常見的場發射電子槍有兩種:冷場發射式(cold field emission , FE)，熱場發射式(thermal field emission ,TF) 當在真空中的金屬表面受到 108V/cm 大小的電子加速電場時，會有可觀數量的電子發射出來，此過程叫做場發射，其原理是高 電場使電子的電位障礙產生 Schottky 效應，亦即使能障寬度變窄，高度變低，因此電子可直接"穿隧"通過此狹窄能障並離開陰極。場發射電子系從很尖銳的陰極尖端所發射出來，因此可得極細而又具高電流密度的電子束，其亮度可達熱游離電子槍的數百倍，或甚至千倍。

場 發射電子槍所選用的陰極材料必需是高強度材料，以能承受高電場所加諸在陰極尖端的高機械應力，鎢即因高強度而成為較佳的陰極材料。場發射槍通常以上下一組 陽極來產生吸取電子、聚焦、及加速電子等功能。利用陽極的特殊外形所產生的靜電場，能對電子產生聚焦效果，所以不再需要韋氏罩或柵極。第一(上)陽極主要是改變場發射的拔出電壓(extraction voltage)，以控 制針尖場發射的電流強度，而第二(下)陽極主要是決定加速電壓，以將電子加速至所需要的能量。

要從極細的鎢針尖場發射電子，金屬表面必需完全乾淨，無任何外來材料的原子或分子在其表面，即使只有一個外來原子落在表面亦會降低電子的場發射，所以場發射電子槍必需保持超高真空度，來防止鎢陰極表面累積原子。由於超高真空設備價格極為高昂，所以一般除非需要高解析度 SEM，否則較少採用場發射電子槍。

冷場發射式最大的優點為電子束直徑最小，亮度最高，因此影像解析度最優。能量散佈最小，故能改善在低電壓操作的效果。為避免針尖被外來氣體吸附，而降低場發射電流，並使發射電流不穩定，冷場發射式電子槍必需在 10-10 torr 的真空度下操作，雖然如此，還是需要定時短暫加熱針尖至  2500K(此過程叫做  flashing)，以去除所吸附的氣體原子。它的另一缺點是發射的總電流最小。

熱場髮式電子槍是在 1800K 溫度下操作，避免了大部份的氣體分子吸附在針尖表面，所以免除了針尖 flashing 的需要。熱式能維持較佳的發射電流穩定度，並能在較差的真空度下(10-9 torr)操作。雖然亮度與冷式相類似，但其電子能量散佈卻比冷式大 3~5 倍，影像解析度較差，通常較不常使用。

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