sem掃描電鏡的基本操作之掃描電鏡的理論分辨率介紹

分辨率是掃描電鏡基本的性能判斷指標(biāo)，我們要先弄清sem掃描電鏡分辨率的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。

通常有關(guān)分辨率的問(wèn)題，都會(huì)遵循瑞利判據(jù)。即一個(gè)光點(diǎn)按照衍射理論會(huì)是一個(gè)衍射斑，兩個(gè)光點(diǎn)逐步靠近時(shí)，對(duì)應(yīng)的衍射斑也從分離趨于重合。當(dāng)兩個(gè)衍射斑的半高寬重疊，則認(rèn)為不可區(qū)分了。此時(shí)兩個(gè)衍射斑之間的距離即為分辨率。

但一般單幀圖像的儀器才完全符合此規(guī)律，比如TEM、光學(xué)顯微鏡等。掃描電鏡的分辨率以瑞利判據(jù)為基礎(chǔ)，但也卻略有不同。sem掃描電鏡是屬于電子束移動(dòng)型的，并不完全適用半高寬重合的概念。下面來(lái)介紹下掃描電鏡的理論分辨率。

1. 理論分辨率

sem掃描電鏡的理論分辨率只能用電子束束斑所能達(dá)到的很小的尺寸來(lái)進(jìn)行描述，其達(dá)到樣品上的束斑的直徑理論上為：

其中，d為理想狀況下電子源匯聚點(diǎn)經(jīng)過(guò)電磁透鏡成像后的束斑大小、CS為掃描電鏡的球差系數(shù)、CC為色差系數(shù)、ΔV為燈絲單色性、V為加速電壓、I0為束流、B為燈絲亮度、α為電子束匯聚的張角，λ為電子波長(zhǎng)（遠(yuǎn)小于其它項(xiàng)）。

束斑直徑D越小，sem掃描電鏡分辨率越高。我們?cè)敿?xì)分解一下上述公式：

①高斯束斑dk項(xiàng)：

在不考慮任何非理想因素時(shí)，將電子鏡筒完全看成是光學(xué)成像。電子源發(fā)出的電子在經(jīng)過(guò)透鏡、光闌、物鏡后，束斑變小，這和光學(xué)儀器中的逐次成像基本一致。 

其中，αa越小，αj越大，束流越小。αa對(duì)應(yīng)的光闌大小，αj對(duì)應(yīng)聚光鏡的勵(lì)磁。再根據(jù)透鏡逐次成像公式，我們得到束斑直徑d為

或者根據(jù)亥姆赫茲-拉格朗日定則同樣得到束斑直徑d為

由公式我們便可得知不同的電子源d0相差很大，所以對(duì)d乃至ZUI后實(shí)際電子束的直徑有很大影響。其次，工作距離越近S越小，匯聚角α越大，聚光鏡勵(lì)磁越強(qiáng)αj越大，光闌孔徑越小αa越小，均是有利于減小ZUI后的束斑尺寸。

從這一點(diǎn)我們也能得出一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)論，在實(shí)際操作過(guò)程中工作距離越小、光闌孔徑越小、束流越小，分辨率越高。

②有關(guān)球差項(xiàng)：

球差CS由掃描電鏡設(shè)計(jì)所決定，無(wú)法通過(guò)掃描電鏡操作進(jìn)行改變。不過(guò)半磁浸沒(méi)式透鏡比無(wú)磁場(chǎng)物鏡有更低的球差系數(shù)，這也可以說(shuō)明具有多模式的掃描電鏡在進(jìn)入磁浸沒(méi)模式后，分辨率會(huì)大幅度提高。

③有關(guān)色差項(xiàng)：

色差CC由電子源的類型所決定，也非通過(guò)改變sem掃描電鏡工作條件就可控制。不過(guò)相對(duì)來(lái)說(shuō)高電壓下色差是影響更小，所以這也是為什么所有的掃描電鏡都是在高電壓下有著比低電壓更好分辨率的重要原因。

④Boersch效應(yīng)：

雖然電子束與光束的匯聚成像很類似，但是兩者有一個(gè)重大的不同點(diǎn)，那就是光線在傳播中對(duì)其它光線不會(huì)有任何影響，而電子束中的電子間卻存在相互排斥的庫(kù)侖力。

所以早在1954年，Boersch就隨著電子束束流的增加會(huì)導(dǎo)致電子能量分布展寬，大大超過(guò)陰JI溫度對(duì)應(yīng)的麥克斯韋分布的能量寬度，從而使得束斑尺寸大幅度增加，這就是有名的Boersch效應(yīng)。

根據(jù)束斑公式，我們先做一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)論。將所有參數(shù)分成兩個(gè)部分，一部分由掃描電鏡設(shè)計(jì)所決定，操作人員改變不了的因素：如球差、燈絲色差、亮度等。另一部分，操作者可以通過(guò)改變sem掃描電鏡工作條件進(jìn)行控制來(lái)減小束斑尺寸、提高分辨率：提高加速電壓、減小束流束斑、減小工作距離、減小光闌孔徑。