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扫描电镜(SEM)电子透镜的介绍

2019.12.12

扫描电镜(SEM)利用电子束对样品进行纳米级分辨率的图像分析。灯丝释放出电子,形成平行的电子束。然后,电子束通过透镜聚焦于样品表面。电子透镜是如何工作的?存在哪几种电子透镜?电子透镜是如何聚焦电子的?


扫描电镜:电子、电子束和电子透镜
电子从灯丝中释放出来,然后平行于电子透镜。
电子束穿过镜筒——由一组透镜组成,透镜把电子束聚焦到样品表面上。电子显微镜透镜可以是静电的,也可以是有磁性的,这取决于它们是用静电场还是磁场来聚焦电子束。为了更好地理解这些透镜的工作原理,让我们回过头来看看电子是如何在静电场中偏转的。


导向板
电子是带负电的粒子,在高能量的镜筒中穿行。使这些粒子偏转的一种方法是让它们通过由两个板块在电势+ U和- U上产生的电场,如图1a所示。
在电场的影响下,电子的偏转角度取决于电子能量,板块之间的电场以及板块的长度。


电子的速度越快或能量越强,偏转角度就会越小。电场越高,板块越长,偏转角度越大。一个由两种不同电位板组成的装置称为导向板。


为了得到一个静电透镜,可以考虑反射导向板,这样,在光轴上运动的电子可以聚焦在同一点上,如图1b所示。


电场只存在于电子开始进入和结束电子行程的过程,我们如何能得到像图1b所示的透镜效应?这个问题的答案在于,只要有透镜效应,电子束的能量就会产生改变,这意味着电子要么加速要么减速。这可以通过在电子束周围的不同电势来完成。

 
图1: (a)电子束导向板和(b)静电透镜。
静电透镜
静电透镜由金属板组成,与高电压相连接,电子穿过电子透镜。单孔透镜在高电压下由一个单一的金属板组成。


单孔透镜不仅可以终止加速场还能产生加速场。在第一个例子中,透镜是正极的,这意味着电子束汇聚,如图2a所示,而在第二种情况下,透镜是负极的,这意味着电子束发散,如图2b所示。 


双孔透镜由两个金属板组成,对准孔径,有不同的电位。图2c显示了一个加速的双孔透镜,其中两个板块之间的电场位于顶板上。 


进入这个透镜的电子会感觉到一个强大的磁场,使它们靠近光轴。当它们穿过第二个板块时,电子会感觉到反向的力推动它们向透镜移动。总的来说,这是一个正极透镜,电子束聚焦在第二个板块之下的平面上。


一个三孔径的Einzel透镜由三个有对齐孔径的板组成,它们可以有相同的直径,也可以有不同的直径。在电子光学中,Einzel透镜通常被用于在透镜的入口和出口处,具有相等的电子电位。 


在图2d中,一个加速的Einzel透镜显示,三个电极产生三个透镜:第一个和第三个是正级的,第二个是负级的。总体的透镜是正极的,光束聚焦在第三个透镜下面的平面上。


图2:不同类型静电透镜的示意图:单孔径正负透镜(a,b),双孔透镜(c)和三孔径Einzel透镜(d)。 
电磁透镜 
电磁透镜使用洛伦兹力,它与电子的电荷和速度成正比,以偏转电子。磁透镜由一个金属体(称为铁磁电路)组成,以两个极片结束。


磁场由位于铁磁电路顶部的线圈所产生,如图3所示。透镜的强度可以通过改变磁场B来改变,这是通过改变杆件的几何形状,即杆件之间的距离,以及线圈电流来完成的。


图3:磁透镜 
扫描电镜电子透镜
电子束由电子组成,电子被电子源释放,有一组透镜。电子被电子透镜压缩成束,然后通过最终的透镜聚焦于样品表面,其也被称为物镜,如图4所示。电子源倾斜,样品上的扫描的电子束是由电子源和右边最后一个透镜的线圈产生。

 
图4:电子柱 
所有的扫描电镜(SEM)——无论我们是在谈论台式还是落地式——都有一个带有静电透镜和电磁透镜的镜筒。对台式扫描电镜(SEM)和落地式扫描电镜(SEM)的区别感到好奇,哪种扫描电镜对您的研究最有利?

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