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第六期电子显散学报
一扩展的发射高分辨扫描电镜
堕塞丝盆至
/ 北京大学电子显擞镜实验室,北京
摘要
比较,指出了扩展的发射的优越性。同时培出了我们应用扩展的炭射扫描电健
所获得的一些高分辨形耽谁。
关■调垡墅墨筮扩展的炭射高分辨扫描电干显微学
扫描电镜的空间分辨率至少受到以下三种因素的限制:
.样譬品嚣的潜在衬度子光学系统的性能扫口描汔‘
.电子和固体样品相互作用区的形状和体积,即电子范围。
维系着前两种限制的最重要的关系式是电子枪的亮度公式:
一/ //
和阈值电流公式
/一—一
、式中是电子枪的亮度,是电子探针的电流, 是电子探针的直径,是半束角,
是探测器的收集效率,样品的衬度,“是扫描一帧所需要的时间。
由、两式可以看出要观察一定衬度的样品,则束流必须满足式的要求,而要
达到一定的值,又要求探针直径保持很小的值这是保证扫描电镜分辨率所必须的,则电子
枪的亮度必须达到很高的值。例如,假设—.,—.,秒,则由式算出探针束流
必须大于.。假定电子枪是钨阴极热发射电子枪,其亮度一ב/。,设一
,则要达到上述束流要求,电子探针的直径必须大于,实际产生的图像酌分辨
率比这个值还要差。
因此,要提高扫描电镜的分辨率,最重要的措施是提高电子枪的亮度,从而使很小的探针直
径内能包含足够的束流;而提高电子枪的亮度的问题,归根到底是要求有电流密度很高,发射角
分布非常集中,而且能量分散很小的电子源。如果设想把电子枪的亮度提高‘倍,则在上述相
同的条件下,电子探针的直径将会缩小倍,即≈.,扫描电镜的分辨率就可能达到
甚至更好的水平。
五种电子发射制式
按。的意见,我们可以把实际的电子发射划分为五种不同的制式。
热发射
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电子显做学报正
阴极温度很高,阴极内的电子由于热运动而越过阴极表面位垒向真空发射,发射
电流密度为:
即公式,式中,分别为电子的质量和电荷,是波兹曼常数,是普郎克常
数,, 是绝对温度,中为功函数,清洁钨丝的功函数≈.
发射
这时阴极温度较高,而且阴极表面存在外电场,使表面位垒降低,但这种外场较
弱~ /,还不足以引起显著的穿透位垒的隧道效应,发射电流密度为:
其中:
: √
。是位垒降低量, 为阴极表面电场强度,是真空的介电常数。
发射本质上是热发射,阴极常用于这种发射制式,其功函数中≈.。
冷场发射【
阴极温度很低不足以产生热发射,但阴极表面存在很强的外电场×/
,这时阴极表面位垒峰值降低,而整个位垒变窄,阴极内部的电子可有显著的几率通过隧道
效应逸出阴极表面。发射电流密度为:
一一.×
式中是在运算过程中的表达式,通常情况,≈。
≈. —. × /
以/为单位,这就是大家熟知的—公式。
热场发射
阴极温度,而阴极面前又存在很强的外电场略低于的电场强度,发射电子
的主要部分来自隧道效应,这种发射虽有热发射的成分,但本质上是场发射。发射电流密度为;
一
式中了
一.√单位取/
过渡区一扩展的发射
在发射和热场发射之间存在着一个