二、扫描电镜基本原理-电子束与物质的相互作用

2.1 描述电子束的参数

扫描电镜的核心原理是利用电子束轰击样品，样品产生特定信号，探测器接收信号成像。电子束是信号的激发源，因此了解电子束的相关参数很有必要。扫描电镜中的电子束是在磁场控制下高速运动的的电子流，可以类比电流对其物理状态进行描述。SEM电子枪结构通常由三级结构组成，电子束从阴极发射，经过控制栅极汇聚，阳极加速，进入后续电磁透镜。

SEM电子枪结构示意图

描述电子束的主要相关参数有：

光源尺寸（Source Size）
电子束初始发射点的尺寸，是电子束束斑直径的物理基础。
钨灯丝：~20 μm（热电子发射区域）
场发射枪：<5 nm（单晶针尖顶点）这是场发射SEM性能优于钨灯丝的物理基础。

电子束能量（Beam Energy)，用电子伏特（ ）表示
1   表示一个电子在真空中通过1伏特电势差加速所获得的动能
(焦耳)
运用中我们习惯使用加速电场的电压来表征电子束能量，但实际上加速电压（accelerating voltages ）与电子束能量是完全不同的概念，并且到达样品表面电子束的实际能量与离开加速电场电子能量是不完全相同的，因此又引入了另一个概念，着陆能量（Landing Energy）。

着陆能量（Landing Energy）
实际到达样品表面的电子束能量。
为什么引入着陆能量这一概念？
（1）电子束经电子枪发射，通过控制栅极汇聚，阳极加速，后续电磁透镜进一步汇聚，这一过程电子束是存在微小能量损失的。
（2）当样品表面被施加偏置电场时，达到样品表面的电子会被加速或者减速，使用加速电压无法准确刻画此时电子束能量。在实际中有的电镜配备减速模式，即在样品区施加偏置电场，降低入射电子束能量，减少不导电样品的荷电效应。这就是所谓的低电压模式
此外，真正影响激发区域的是着陆能量，而不只是加速电压。

能量分散度（Energy Spread）
电子束能量离散程度
电子束能量离散会导致色差效应

钨灯丝1-3 eV
肖特基热场发射（Schottky）0.3-1 eV
冷场发射（Cold FEG）0.1-0.3 eV

场发射灯丝具有更低的色差！

束斑直径Beam Diameter
电子束撞击样品表面时的直径，束斑直径直接决定了电镜成像的最小信息单元。在追求高分辨力时，我们总是希望用尽可能小的束斑去扫描观样品，然而小束斑带来的是信噪比的降低。

在理想情况下，电子束在控制磁场的作用下呈旋转对称式前进，电子束始终具有圆形横截面，电子在束直径内以均匀强度分布，束外完全不存在离散电子。
实际上，电子束横截面并不一定是完整正圆形，并且从电子束中心到边缘存在能量密度梯度，沿径向呈高斯分布或者洛伦兹分布。

束斑直径理论公式

：束斑直径
：电子枪源直径
：球差系数
：色差系数
：发散角
：电子束能量分散
：加速电压
电子枪类型决定初始源尺寸与亮度，聚光镜系统压缩束流，物镜最终聚焦。
运用上认为束斑是一个固定数字是足够的。束斑直径决定了电镜成像的最小信息单元。

束斑电流（Beam Current）
每秒撞击样品的电子数量
the number of electrons per second that impact the specimen。

束流密度（Beam Current Density ）
单位体积内的束流
beam current per unit area

电子束光锥示意图

AB为孔径光阑；α为电子束汇聚角（Beam Convergence Angle）

电子束光学亮度（Brightness）
定义为每单位立体角上的电流密度（current density per unit solid angle），它不会受电磁透镜影响，从电子枪到光阑，亮度是守恒的
单位

β：电子光学亮度
：束流（A）
：束斑半径（cm）
为发散角

当 β 和 α 固定时，   （束斑缩小一半，束流降至1/4）
电磁光路不会改变亮度！！相当于电磁光路不会改变电子束的品质，知识改变了电子云在相空间的压缩状态。不会因为因此当改变右侧公式某一个参数时候，相应的某个参数也会等效变化。无法独立固定三个参数。

相干性（Coherence）
空间相干性
场发射枪电子相位高度一致，电子衍射能力强（EBSD分析必备）
钨灯丝相干性差，几乎不用于衍射分析
时间相干性
低能量分散度（ 小）提升时间相干性，优化高倍成像对比度。

稳定性（Stability）
短期波动：场发射枪需控制电流波动 <0.5%/小时（防止图像漂移）
长期寿命：
钨灯丝：~100 小时
肖特基场发射：~10000小时
冷场发射：需定期“闪烁”（Flashing）清洁针尖

束流调控能力
现代电子枪可在   到  范围连续调节束流，适应不同工作模式。

电子束参数是深刻理解SEM成像的物理基础，因此有必要在物理角度了解这些术语的存在和简单理解，在实际运用中结合相关物理原理加深理解，拍摄出高质量SEM照片。

总结：理想中我们希望电子束既细又亮，但物理条件决定了这是一对矛盾的需求。电子束不可能既细又亮。电子枪决定了亮度上限。