掃描電鏡（SEM）利用電子束對樣品進行納米級分辨率的圖像分析。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？在這個博客中，我們將回答這些問題，并對電子透鏡的工作原理給出一個大致的解釋。

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，然后平行于電子透鏡。你可以在這里閱讀更多關于CeB6燈絲和鎢燈絲的比較。

電子束穿過鏡筒——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還是磁場來聚焦電子束。為了更好地理解這些透鏡的工作原理，讓我們回過頭來看看電子是如何在靜電場中偏轉的。[1,2]

導向板

電子是帶負電的粒子，在高能量的鏡筒中穿行。使這些粒子偏轉的一種方法是讓它們通過由兩個板塊在電勢+ U和- U上產生的電場，如圖1a所示。

在電場的影響下，電子的偏轉角度取決于電子能量，板塊之間的電場以及板塊的長度。

電子的速度越快或能量越強，偏轉角度就會越小。電場越高，板塊越長，偏轉角度越大。一個由兩種不同電位板組成的裝置稱為導向板。

為了得到一個靜電透鏡，可以考慮反射導向板，這樣，在光軸上運動的電子可以聚焦在同一點上，如圖1b所示。

電場只存在于電子開始進入和結束電子行程的過程，我們如何能得到像圖1b所示的透鏡效應?這個問題的答案在于，只要有透鏡效應，電子束的能量就會產生改變，這意味著電子要么加速要么減速。這可以通過在電子束周圍的不同電勢來完成。

圖1： （a）電子束導向板和（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，電子穿過電子透鏡。單孔透鏡在高電壓下由一個單一的金屬板組成。

單孔透鏡不僅可以終止加速場還能產生加速場。在*個例子中，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，透鏡是負極的，這意味著電子束發散，如圖2b所示。

雙孔透鏡由兩個金屬板組成，對準孔徑，有不同的電位。圖2c顯示了一個加速的雙孔透鏡，其中兩個板塊之間的電場位于頂板上。

進入這個透鏡的電子會感覺到一個強大的磁場，使它們靠近光軸。當它們穿過第二個板塊時，電子會感覺到反向的力推動它們向透鏡移動。總的來說，這是一個正極透鏡，電子束聚焦在第二個板塊之下的平面上。

一個三孔徑的Einzel透鏡由三個有對齊孔徑的板組成，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，一個加速的Einzel透鏡顯示，三個電極產生三個透鏡：*個和第三個是正級的，第二個是負級的。總體的透鏡是正極的，光束聚焦在第三個透鏡下面的平面上。

圖2：不同類型靜電透鏡的示意圖：單孔徑正負透鏡（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，以偏轉電子。磁透鏡由一個金屬體（稱為鐵磁電路）組成，以兩個極片結束。

磁場由位于鐵磁電路頂部的線圈所產生，如圖3所示。透鏡的強度可以通過改變磁場B來改變，這是通過改變桿件的幾何形狀，即桿件之間的距離，以及線圈電流來完成的。

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后一個透鏡的線圈產生。

圖4：電子柱

所有的掃描電鏡（SEM）——無論我們是在談論臺式還是落地式——都有一個帶有靜電透鏡和電磁透鏡的鏡筒。對臺式掃描電鏡（SEM）和落地式掃描電鏡（SEM）的區別感到好奇，哪種掃描電鏡對您的研究zui有利?

應用文獻

[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