SEM掃描成像品質差？可能是燈絲出問題了！

在掃描式電子顯微鏡（SEM）中

根據電子發射方式的不同，
常見的電子槍分為
「熱發射鎢燈絲電子槍」與「場發射電子槍」。

我們從發射機制、結構、控制方式與真空系統等面向，
為您解析兩者的差異與優劣。

一、電子發射源的結構差異

• 熱發射鎢燈絲（V型鎢絲）：
  採用約0.1mm直徑的鎢絲彎成V型（發叉式結構），
  其尖端即為電子發射源，曲率半徑約為0.1mm。
  這種結構製作簡單、成本低，是經濟實惠的選擇。

• 場發射尖陰極：
  同樣使用0.1mm直徑鎢絲，
  但經過電化學腐蝕處理，形成尖銳針狀陰極。
  尖端曲率半徑小至100nm至1μm不等。
  由於製程要求高，製造成本也較高。

二、電子發射機制與使用壽命

• 熱發射鎢燈絲：

  • 發射原理：透過高溫加熱產生電子（溫度約2600K至2800K）。

  • 優點：電子發射效率高，電流密度與亮度隨溫度提升。

  • 缺點：因高溫導致材料蒸發加速，使用壽命較短，一般僅有50～200小時。

  • 電子能量分散大（約2eV），影像對比與色差表現受限。

• 場發射電子槍：

  • 發射原理：在尖端產生強電場，使電子透過量子穿隧效應在低溫下被發射。

  • 優點：無需加熱即可穩定發射電子，壽命長達數萬小時。

  • 缺點：結構敏感、真空要求高，系統成本較高。

  • 電子能量分布集中（<1eV），有利於高對比與高解析度影像取得。

三、電子槍控制方式與亮度表現

• 熱發射鎢燈絲：

  • 控制系統為三極自給偏壓，具備負回授穩壓電路，發射電流穩定。

  • 但因點源面積較大（約50~100μm），束斑縮小後的探針電流有限，信噪比較低。

  • 目前最佳解析度約可達3.0nm。

• 場發射電子槍：

  • 無自動偏壓控制，需依賴外部穩壓系統。

  • 虛擬點源面積極小（約2~20nm），亮度較鎢燈絲高出千倍以上。

  • 即使束斑縮至1nm以下，仍能維持足夠探針電流，實現亞奈米級解析度。

四、真空系統要求與維護成本

• 熱發射鎢燈絲SEM：

  • 僅需高真空（約0.001Pa），透過兩級真空泵即可達成，系統成本較低。

  • 系統可容許較高的氣體壓力，維護週期短但容易操作。

• 場發射SEM：

  • 需超高真空環境（通常低於10⁻⁸Pa），需三段式真空系統。

  • 若真空不足，會因氣體分子附著與離子轟擊造成槍尖損壞，影響壽命與穩定性。

  • 雖然系統造價較高，但在潔淨環境下可長時間免維護。

選擇電子槍類型需依應用需求與預算進行權衡：

• 若您重視成本與日常操作便利性，熱發射鎢燈絲是一個穩定且成熟的選擇。

• 若您追求極致解析度與成像品質，場發射電子槍雖成本較高，卻能提供無與倫比的成像效果與長壽命。

  無論選擇哪一種電子槍，了解其原理與特性，才能發揮SEM最佳效能！

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