SEM：热发射电子枪

金属原子带负电的电子和带正电的原子核之间存在吸引力，电子离开金属表面需要能量。如果金属被加热到足够高的温度，一些电子获得足够的能量来克服阻止它们离开金属的自然势能势垒。这个天然势垒称为功函数。功函数被定义为将电子从给定固体（通常是金属）表面移动到无限远所需的最小能量。功函数是材料的一种特性，其值约为几个电子伏特(见图1a)。这种由材料加热产生的电子发射被英国物理学家欧文·理查森称为热电子发射，他在1928年因这一特殊的工作获得了诺贝尔物理学奖。因此，可以通过减小材料的功函数来增加热电流。通常通过在材料表面涂上氧化物来实现。这种材料通常被做成金属丝的形状。理查森假设热离子电流随导线温度呈指数增长，如下式所示:

式中，J为发射电流密度，AG为与材料有关的常数，T为金属温度，W为金属的功函数，K为玻尔兹曼常数。在热电子枪中利用热电子发射现象来产生电子。热电子发射电子枪主要由发射极（阴极、负极）、接地（阳极、正极）和周围带圆形光阑的栅罩（韦氏帽、栅格罩、控制电极）三部分组成（图1b）。由于存在三个电极，它有时被称为三极枪。发射极呈细丝/丝状（见图1c），其尖端位于韦氏帽光阑的中心。灯丝被电流加热，以使电子克服灯丝材料的功函数并逃离其表面。使用高压电源将灯丝置于高负电位处。灯丝处的电位对应于所需的电子束能量。例如，如果期望的电子束能量为20 keV，则将20 kv的负电位施加到灯丝阴极上。同时，阳极在零电位下接地。阴极和阳极之间的电位差加速电子通过阳极上孔朝样品的方向运动。当电子通过1 V的电位差加速时，它们获得1 eV的动能。韦氏帽或栅罩相对于阴极发射极保持几百伏的负偏置。这种负偏置的作用是将产生的电子聚焦成一束。常用的热电子发射枪根据所用灯丝的类型进行分类。

图1 （a）电势势垒；（b）韦氏帽；（c）钨灯丝

1、钨灯丝枪

1.1材料

在这种枪中，发射极是由完全退火的无应变钨（W）丝制成的V型发卡灯丝（直径≥100 μm），如图2。

图2 V形钨灯丝（a）低倍数（b）高倍数电镜图片

灯丝尖端的直径约为100 μm。采用高级难熔金属钨制造灯丝。钨由于其独特的性能而被广泛用作灯丝材料，与所有纯金属相比，它具有最高的熔点（3422 ℃），高温下最低的蒸汽压，最高的抗拉强度和最低的热膨胀系数。钨具有合适的功函数值和高电流密度，使其能够在低于熔化温度的情况下工作。钨也可以与3 %的铼形成合金，以提高线材的延展性及其抗下垂和振动的能力。灯丝连接到安装在绝缘体（玻璃或陶瓷底座）上的腿上。在这种枪中，灯丝本身是阴极，加热后发出电子。这种被称为直热式阴极。

1.2工作原理

钨灯丝电子枪的工作原理如图3所示。使用电流将V形灯丝电阻式加热到高达2500℃。灯丝尖端对电流的阻力最大，因此成为灯丝中最热的部分。电子在尖端处获得足够的热能，克服钨金属相对较大的功函数（4.5 eV），离开灯丝表面。电子发射面积约100×150 μm。相对较大的发射面积导致该枪的源尺寸较大。在20 kv的加速电压下，灯丝相对于处于地（零）电位的阳极被设定为-20 kv的负电位。显微镜本身大部分处于地电位。灯丝被韦氏帽（栅帽）包围，通过一个自偏置可变电阻与灯丝连接，该电阻也与高压电源串联到灯丝。电子的发射使韦氏帽的负电位略高于灯丝，在两者之间产生负偏置。这会在电阻上产生电压降，设置偏置以不断补充由于发射而从灯丝丢失的电子。从源发出的电子倾向于向各个方向扩散。韦氏帽和灯丝阴极之间的负偏置确保电子仅从灯丝靠近尖端的区域发射。它能聚焦电子束，控制电子发射和发散角α0。阴极、韦氏帽和阳极形成的电场的共同作用就像静电透镜，将发射的电子聚焦在韦氏帽下方形成直径为d0（≈50 μm）的交叉斑。这可以被认为是灯丝区域的图像，从那里发射电子。交叉斑处的电子以高斯强度分布为特征。交叉斑的图像用于设置灯丝的饱和度。

图3 典型的钨热发射电子枪原理图

用来加热灯丝的电流称为灯丝加热电流if。从灯丝发出的总发射电流（一般为50-100 μA）称为发射电流。通过阳极的发射电流称为束流ib。阳极只允许部分电子通过。在每个镜头和光圈处电流减小。在试样表面测量的最终电流称为探针电流ip (ip可低至≈1 pA)。这表明从灯丝到试样表面的电流有很大的减小。所有离开尖端的电子都必须通过电路“旅行”来补充。交叉斑的尺寸太大，无法进行成像，因为所需的最终探针直径为10 nm或更小。探针直径的衰减发生在随后的电子镜筒内。灯丝和阳极之间的电位差导致电子加速，使它们能够到达位于样品室中电子镜筒末端的样品表面。在阳极之外，电子不会被进一步加速。

1.3自调节偏置电阻的作用

电子发射的性质和数量由电子枪的偏置控制，如图4所示的原理图所示。应该注意的是，相对于灯丝，韦氏帽将始终处于某些负电位（偏置）。这种偏置的大小是可以调整的。

图4 电压偏置对电子发射和探针尺寸的影响示意图

在韦氏帽和阳极之间存在静电场线（也称为静电电位或等电位），图5所示。电场线的形成是由于在灯丝、韦氏帽和阳极之间维持的电压所形成的静电场。等电位的电压相对于灯丝表示，并且可以从灯丝处的零变化到韦氏帽处的负变化和阳极处的正变化。这些静电电位的配置是通过一个偏置电阻（1-10 MΩ电阻）连接到高压电源和灯丝控制的。这种自调节偏置电阻的作用是控制电子枪的发射，使其在工作过程中始终保持在最佳水平。在低偏置下（见图4 a），施加在韦氏帽上的负电压很小，使得负场线变弱。正向阴极的场梯度的存在将导致高发射电流，因为电子不仅会从灯丝的尖端发射，而且会从尖端的侧面发射。从灯丝大面积发射的电子难以收敛，因此最终导致聚焦差和亮度低。在高偏置下（见图4 b），施加在圆柱体上的负电压将很高，导致灯丝周围产生强烈的负等电位，这将阻止电子发射。由于灯丝周围的高负电场，任何发射的电子都会被吸引回灯丝。在这种情况下，亮度将变为零。最佳偏置（灯丝和韦氏帽之间的最佳负电势）只能从具有最佳聚焦和高亮度的灯丝尖端产生良好的发射（见图4 c）。从尖端两侧发射的电子倾向于被推回灯丝。钨丝在白热温度下使用。在没有可调节的自调节偏置电阻的情况下，灯丝的电子发射将达到最大值，而圆柱体将无法控制电流。这将导致钨灯丝的快速蒸发，直到它过早断裂。为了获得最佳的枪性能，钨丝的高度应该设置为其尖端对应于韦氏帽的前表面，并且在微米尺度上也位于韦氏帽光阑的中心。在灯丝更换期间设置最佳偏置值，并在枪描绘最大亮度的地方进行调节。最佳偏置设置取决于灯丝相对于韦氏帽表面的高度。

1.4饱和点

样品表面稳定的探针电流确保了成像质量的提高。为了获得稳定的探针电流，灯丝加热电流被调整到达到饱和状态的值。在这个位置，灯丝加热电流if的任何微小变化都不会改变电子束电流ib，因为它达到了一个平台值（见图5）。饱和点被认为是由于用于产生偏置的串联电阻的负反馈效应而发生的。钨灯丝在接近饱和点时工作，高于此水平的电流的任何进一步增加只会大大降低灯丝的使用寿命，而不会同时增加亮度。在饱和条件下使用有助于实现小探针，而在不饱和条件下，电子从尖端以及从灯丝侧面发射，有助于增加源尺寸。饱和状态下的操作也使灯丝产生稳定的电子束电流，尽管温度变化很小。饱和点可以通过查看图像显示或读取仪表上显示的电流值来确定。灯丝在每个加速电压下的饱和值是不同的。大多数SEM都能够在后台不显眼地设置这些值。饱和是通过一个过程自我调节的，如果灯丝电流增加导致电子发射增加，则韦氏帽上的负偏置也会由自动偏置电阻提高。这减缓了发射，确保稳定的电子束电流。

图5 束流随着灯丝电流的增加而增加到一个饱和点

图5显示了“假峰”的存在，这是随着电子束电流的增加而瞬间增加的亮度。这个假峰不应误认为是饱和点。灯丝不能设置在这个值，因为电子束将非常不稳定，不适合成像。这个假峰的确切性质随灯丝、枪和显微镜的不同而不同。它的成因尚不清楚，被认为是依赖于在灯丝加热过程中产生的静电场线。

1.5优点与缺点

由于其低成本和可靠性，钨灯丝自扫描电镜发明以来一直是最常用的灯丝。它广泛用于低倍率成像和微量化学分析。它非常坚固，其使用寿命取决于所使用的发射电流。它可以在中等电流下持续长达100小时。其更换简单快捷，通常由SEM操作员进行，无需服务人员的帮助。它在低真空（即10-3 Pa足以防止加热阴极氧化）即可工作。其缺点是功函数较高，为4.5 eV，发射电流密度不足（亮度低，1×104 A/cm2.sr)，能量扩散大（ΔE为1.5-2.5 eV），使用寿命较短。它的能量分布大，亮度低，不适用于低电子束能量显微镜（1-5 keV）。

1.6使用寿命

灯丝的使用寿命取决于钨的蒸发和氧化速率，并随着灯丝温度的升高而降低。在灯丝安装过程中，通过增加灯丝尖端和韦氏帽之间的距离，可以降低灯丝饱和的温度。这往往会增加灯丝的使用寿命，但会影响其形成精细探针的能力。在扫描电镜内保持良好的真空，防止污染在镜筒中积聚，也确保了灯丝的使用寿命更长。与真空中使用的任何部件类似，灯丝阴极应使用洁净室手套来处理，以保持表面没有指纹和其他污染物。当灯丝仍有余热时，电子枪室不应放气，以避免灯丝材料氧化。灯丝安装处底部呈黄色或褐色，通常表示真空泄漏。由于蒸发而失效的灯丝保留了其原始的丝厚，并在断裂的区域显示一个圆形的斑点。任何导线向断裂区域变细表明真空泄漏。这些预防措施以及避免灯丝过饱和可以延长灯丝阴极的使用寿命。

2、LaB6发射极

2.1材料

发射极由难熔陶瓷单晶LaB6制成，呈深紫蓝色，熔点为2210℃。选择LaB6是因为它的功函数低，熔点高，蒸气压低（抑制蒸发），化学和高温稳定性。晶体截面为100 μm，长度为0.5 mm，其尖端形状扁平（微扁平），圆形（标准）或尖锐（图6）。LaB6陶瓷具有高电阻，不能直接加热。因此，晶体发射极被安装在单片无应力非活性石墨碳或铼上，其被电阻式加热以提高发射极的温度。这种由单独加热器加热LaB6发射极/阴极称为间热阴极。碳卡箍用于提供支持并将该组件固定在适当位置。采用非活性碳，因为LaB6易受碳污染。

图6 LaB6发射极电镜图片

晶体的取向通常为<100>，其亮度高、对称性好。晶体的平面对称形状保证了阴极在高温下相对于其轴均匀蒸发。这使得发射极表面保持平坦和居中，并在其整个使用寿命期间保持一致的发射模式。LaB6阴极单晶的生产通常采用惰性气体电弧浮区精炼工艺。在生产过程中，在初始阴极材料中存在的杂质被严格控制到几十个ppm，因为它们的存在往往会降低发射极的亮度和寿命。正确的对准对LaB6发射极的最佳性能和更长的使用寿命至关重要。阴极温度应根据期望的发射电流进行优化。LaB6是一种稳定的材料，因此可以提供相对稳定的发射。在工作温度下连续使用增加了枪的热稳定性，从而改善了电子束的稳定性。在饱和状态下，阴极以足够发射所需的最小功率使用。应避免在过高温度（过热）下操作，因为这会降低发射极的使用寿命。LaB6在过高的温度下逐渐从阴极蒸发，会在韦氏帽和光阑上形成沉积。较低的工作温度和较差的真空度会导致阴极本身形成粗糙的白色粉末状沉积物。为了减少污染的积累，LaB6发射极通常在任何时候都在稍微升高的温度下保持操作模式。这也可以防止由于间歇性冷却和加热将其频繁暴露于热冲击中，有助于增加使用寿命。真空度差会导致阴极寿命短。

2.2灯丝尖端设计

束流、亮度和束斑大小取决于阴极尖端的设计，这也会影响发射极的性能和使用寿命。最流行的阴极设计是一个锥形的尖端，在末端有一个平坦的发射面。小锥角（60°）产生更高的亮度，而大锥角（90°）赋予更长的使用寿命和方便校准。直径小的平面提供更小的源尺寸和更高的亮度，但更长的寿命和更大的电子束束电流由更大的平板提供。对于SEM应用，90°锥角的阴极和15 μm半径的平尖端提供了小光源尺寸，高亮度和长使用寿命的良好组合。扁平尖端的半径范围为15至100 μm，而锋利尖端的光滑度为5 μm。

2.3优点与缺点

LaB6的功函数比W低（2.66 eV），在1400-1600 ℃左右的较低温度下能够产生更高的发光（表1）。采用1.7-2.1 A的电流对阴极进行电阻加热。LaB6发射器比W灯丝亮5 - 10倍，使用寿命长10倍（通常为1000小时）。源尺寸（即交叉直径）为5 μm，从而使探针尺寸相对较小，样品表面的束流更大，图像质量得到改善。LaB6发射极的价格比钨灯丝贵约10倍，并且需要高真空（10-5 Pa）环境以避免挥发性氧化物的形成。通过安装在扫描电镜筒上方的离子泵来实现电子枪内的高真空。在传统的SEM中，钨丝通常可以用LaB6发射极代替，前提是电子枪室的差分泵送可以满足更严格的真空要求，并避免发射极污染。CeB6晶体也被用作显微镜应用的发射极。CeB6比LaB6发射器具有更好的抗碳污染降解能力。然而，LaB6晶体是迄今为止显微镜中最常用的六硼化物晶体。由于在低电子能量下，热电子发射枪的亮度较低，因此不适合在低加速电压（5 kv）下成像。热电子枪的另一个特点是能量扩散大，这在低加速电压下加剧了透镜缺陷。这些缺点加上热电子发射枪的探针尺寸大，使用寿命有限，促使了场发射枪的发展。