掃描電鏡（SEM）利用電子束對(duì)樣品進(jìn)行納米級(jí)分辨率的圖像分析。燈絲釋放出電子，形成平行的電子束。然后，電子束通過(guò)透鏡聚焦于樣品表面。電子透鏡是如何工作的？存在哪幾種電子透鏡？電子透鏡是如何聚焦電子的？在這個(gè)博客中，我們將回答這些問(wèn)題，并對(duì)電子透鏡的工作原理給出一個(gè)大致的解釋。

掃描電鏡：電子、電子束和電子透鏡

在上一篇博客中，我們簡(jiǎn)短地介紹了掃描電鏡（SEM）是如何工作的。電子從燈絲中釋放出來(lái)，然后平行于電子透鏡。你可以在這里閱讀更多關(guān)于CeB6燈絲和鎢燈絲的比較。

電子束穿過(guò)鏡筒——由一組透鏡組成，透鏡把電子束聚焦到樣品表面上。電子顯微鏡透鏡可以是靜電的，也可以是有磁性的，這取決于它們是用靜電場(chǎng)還是磁場(chǎng)來(lái)聚焦電子束。為了更好地理解這些透鏡的工作原理，讓我們回過(guò)頭來(lái)看看電子是如何在靜電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的。[1,2]

導(dǎo)向板

電子是帶負(fù)電的粒子，在高能量的鏡筒中穿行。使這些粒子偏轉(zhuǎn)的一種方法是讓它們通過(guò)由兩個(gè)板塊在電勢(shì)+ U和- U上產(chǎn)生的電場(chǎng)，如圖1a所示。

在電場(chǎng)的影響下，電子的偏轉(zhuǎn)角度取決于電子能量，板塊之間的電場(chǎng)以及板塊的長(zhǎng)度。

電子的速度越快或能量越強(qiáng)，偏轉(zhuǎn)角度就會(huì)越小。電場(chǎng)越高，板塊越長(zhǎng)，偏轉(zhuǎn)角度越大。一個(gè)由兩種不同電位板組成的裝置稱為導(dǎo)向板。

為了得到一個(gè)靜電透鏡，可以考慮反射導(dǎo)向板，這樣，在光軸上運(yùn)動(dòng)的電子可以聚焦在同一點(diǎn)上，如圖1b所示。

電場(chǎng)只存在于電子開始進(jìn)入和結(jié)束電子行程的過(guò)程，我們?nèi)绾文艿玫较駡D1b所示的透鏡效應(yīng)?這個(gè)問(wèn)題的答案在于，只要有透鏡效應(yīng)，電子束的能量就會(huì)產(chǎn)生改變，這意味著電子要么加速要么減速。這可以通過(guò)在電子束周圍的不同電勢(shì)來(lái)完成。

圖1： （a）電子束導(dǎo)向板和（b）靜電透鏡。

靜電透鏡

靜電透鏡由金屬板組成，與高電壓相連接，電子穿過(guò)電子透鏡。單孔透鏡在高電壓下由一個(gè)單一的金屬板組成。

單孔透鏡不僅可以終止加速場(chǎng)還能產(chǎn)生加速場(chǎng)。在*個(gè)例子中，透鏡是正極的，這意味著電子束匯聚，如圖2a所示，而在第二種情況下，透鏡是負(fù)極的，這意味著電子束發(fā)散，如圖2b所示。

雙孔透鏡由兩個(gè)金屬板組成，對(duì)準(zhǔn)孔徑，有不同的電位。圖2c顯示了一個(gè)加速的雙孔透鏡，其中兩個(gè)板塊之間的電場(chǎng)位于頂板上。

進(jìn)入這個(gè)透鏡的電子會(huì)感覺到一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，使它們靠近光軸。當(dāng)它們穿過(guò)第二個(gè)板塊時(shí)，電子會(huì)感覺到反向的力推動(dòng)它們向透鏡移動(dòng)。總的來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)正極透鏡，電子束聚焦在第二個(gè)板塊之下的平面上。

一個(gè)三孔徑的Einzel透鏡由三個(gè)有對(duì)齊孔徑的板組成，它們可以有相同的直徑，也可以有不同的直徑。在電子光學(xué)中，Einzel透鏡通常被用于在透鏡的入口和出口處，具有相等的電子電位。

在圖2d中，一個(gè)加速的Einzel透鏡顯示，三個(gè)電極產(chǎn)生三個(gè)透鏡：*個(gè)和第三個(gè)是正級(jí)的，第二個(gè)是負(fù)級(jí)的。總體的透鏡是正極的，光束聚焦在第三個(gè)透鏡下面的平面上。

圖2：不同類型靜電透鏡的示意圖：?jiǎn)慰讖秸?fù)透鏡（a,b），雙孔透鏡（c）和三孔徑Einzel透鏡（d）。

電磁透鏡

電磁透鏡使用洛倫茲力，它與電子的電荷和速度成正比，以偏轉(zhuǎn)電子。磁透鏡由一個(gè)金屬體（稱為鐵磁電路）組成，以兩個(gè)極片結(jié)束。

磁場(chǎng)由位于鐵磁電路頂部的線圈所產(chǎn)生，如圖3所示。透鏡的強(qiáng)度可以通過(guò)改變磁場(chǎng)B來(lái)改變，這是通過(guò)改變桿件的幾何形狀，即桿件之間的距離，以及線圈電流來(lái)完成的。

圖3：磁透鏡

掃描電鏡電子透鏡

電子束由電子組成，電子被電子源釋放，有一組透鏡。電子被電子透鏡壓縮成束，然后通過(guò)zui終的透鏡聚焦于樣品表面，其也被稱為物鏡，如圖4所示。電子源傾斜，樣品上的掃描的電子束是由電子源和右邊zui后一個(gè)透鏡的線圈產(chǎn)生。

圖4：電子柱

所有的掃描電鏡（SEM）——無(wú)論我們是在談?wù)撆_(tái)式還是落地式——都有一個(gè)帶有靜電透鏡和電磁透鏡的鏡筒。對(duì)臺(tái)式掃描電鏡（SEM）和落地式掃描電鏡（SEM）的區(qū)別感到好奇，哪種掃描電鏡對(duì)您的研究zui有利?

應(yīng)用文獻(xiàn)

[1] Introduction to charged particle optics, P. Kruit, Delft University of Technology

[2] Scanning electron microscopy, physics of image formation and microanalysis, L. Reimer, Springer