電子顯微鏡夠構造圖 我們必須使 用透鏡 ( 聚光鏡, 物鏡, 投影鏡 ) 及光闌 ( 聚光光闌, 物鏡光闌, 擇區光闌 ) 的組合來控制成像 (imaging), 繞射 (diffraction) 及成份分析的號
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- 森训 景
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1 Chapter 2 Electron Optics/ Operation Modes Electron gun - thermionic source - Field emission source - Brightness of source - Coherence of source Magnetic lenes - Spherical aberration - Chromatic aberration - Astigmatism
2 電子顯微鏡夠構造圖 我們必須使 用透鏡 ( 聚光鏡, 物鏡, 投影鏡 ) 及光闌 ( 聚光光闌, 物鏡光闌, 擇區光闌 ) 的組合來控制成像 (imaging), 繞射 (diffraction) 及成份分析的號
3 電子顯微鏡夠構造圖 我們必須使 用透鏡 ( 聚光鏡, 物鏡, 投影鏡 ) 及光闌 ( 聚光光闌, 物鏡光闌, 擇區光闌 ) 的組合來控制成像 (imaging), 繞射 (diffraction) 及成份分析的號
4 電子顯微鏡夠構造圖 我們必須使 用透鏡 ( 聚光鏡, 物鏡, 投影鏡 ) 及光闌 ( 聚光光闌, 物鏡光闌, 擇區光闌 ) 的組合來控制成像 (imaging), 繞射 (diffraction) 及成份分析的號
5 2.1Electron Source thermionic source field-emission source no# kev
6 A. Thermionic Source Work function: energy barrier required for an electron to escape from the metal surface Polarization effect Image effect) e surface To extract electrons from the tip, work is needed.
7 Thermionic tip W LaB6
8 Thermionic tip 50µm W LaB6
9 Thermionic tip 10µm 50µm W LaB6
10 Richardson s Law J:current density (Amp/cm 2 ) e thermionic A:Richardson s constant (A/cm 2 * k 2 ): T:operating temperature ( o k) Requirement for a filament 1. low work function 2. high melting temperature 3. stable at high T e e field emission
11 Electron Source
12 Thermionic gun electrostatic lens
13
14 space charge limited current temperature limited current
15 Space Charge/ Boersch Effect
16 Space Charge/ Boersch Effect
17 Space Charge/ Boersch Effect
18 E-gun pannel
19 E-gun pannel
20 E-gun pannel
21 E-gun pannel
22 E-gun pannel
23 B. Field Emission Gun E=V/r r : radius of curvature of tip V: applied voltage E: electric field Generally, r <0.1µm(1000Å), V=kv(1000ev)--->E=10 6 V/m strong electric field makes electron tunneling
24 B. Field Emission Gun E=V/r r : radius of curvature of tip V: applied voltage E: electric field Generally, r <0.1µm(1000Å), V=kv(1000ev)--->E=10 6 V/m strong electric field makes electron tunneling
25 Field Emission Gun V 1 = 幾 kv:extraction voltage 萃取電壓 V 0 =100kV or more:accelerating voltage( 加速電壓 )
26 Thermionic Source vs. Field Emission Source
27 Thermionic Source vs. Field Emission Source
28 Thermionic Source vs. Field Emission Source
29 2.2. Brightness A brightness vs intensity Intensity: detector (Amper/cm 2 *sec) detector Brightness; Source (Amper/cm 2 *sr) source Advantage of FEG Brightness is 1000 times higher Drawback of FEG stability is poorer, Flash is needed
30 Brightness(β) Cross-Over in electron gun current : i e semi-angle : α o current density solid angle do αo d o 燈絲半徑 (ro) 交叉點半徑 (do) W = 50µm 100 µm LaB 6 = 10 µm 10 µm FEG < 10 nm 10 nm
31 Importance of Brightness Single atom spectroscopy SrTiO3 Energy band gap, phonon scattering, electronic structure
32 Schottky Gun ZrO 2 /W: Work function f ZrO2 is low. It takes advantage of both thermionic gun (stability) and FEG (high brightness) 功函數 φ Φ θ θ 熱游離 Schottky Fermi θ 場發射 距離表 面 X
33 場發射光源具有點光源 ( 好空間相干性 ) 和 小能量發散 ( 好能量相干性 )
34 C2 aperture SAD aperture objective aperture
35 2. 4. Magnetic lens The magnetic lens in an EM is like 凸 glass lens. It is always a convergent lens. optical axis object in fact, the trajectory of electron is not straight line in lens β aperture stronger lens means smaller focal length In typical EM,βis α f focal point about 10 mrad ~ 0.57 o image invert real image
36 Induced Magnetic field I + S N B i
37 2.4.1 magnetic lens iron
38 2.4.2 trajectory of electron F (Lorentz force) velocity of electrons θ=0, No force θ=90 max. force θ angle between optical axis and trajectory
39 Higher magnetic field is needed for higher energy electron velocity of electrons electron trajectory is hellical.
40 NTHU z
41 NTHU focal plane IMAGE plane
42
43 Geometric Optics object plane θ optical axis Principal Optical Elements --- object plane --- back focal plane --- image plane image-object (Back focal plane BFP) (conjugate planes) u object position υ image position f focal length M magnification (Gaussian image plane)
44 object u v 1 v 2 f 2 f 1 image(2) image (1)
45 NTHU 物 面 n 若透鏡變弱, 焦距變 長使得聚焦及成像在特定的焦 面及像 面底下, 我們稱為 欠焦 (underfocus) 透鏡 焦 面 像 面 α 像 overfocus 像 focus α 像 underfocus 若透鏡變強, 焦距變短使得聚焦及成像在特定的焦面及像面底下, 我們稱為過焦 (overfocus)
46 NTHU
47 NTHU
48 Lens aberration NTHU 幾種重要的透鏡像差 A. 球 面像差 (Spherical aberration) -- 透鏡對不同 角度的光束聚焦能 力不同, 而形成 一模糊區 B. 色像差 (Chromatical aberration) -- 透鏡對不同頻率的光束聚焦能 力不同, 而形成 一模糊區 C. 散光 (Astigmatism) -- 透鏡對 水平及垂直 方向的聚焦能 力不同, 而形成 一模糊區
49 A. 球 面像差 (Spherical aberration) -- 透鏡對不同 角度的光束聚焦能 力不同, 而形成 一模糊區 影響聚光鏡的光斑 大 小 物鏡的分辨率 透鏡的聚光能 力在外緣 比中間要強, 也就是 入射 角度愈 大的光束 被透鏡偏折得較利害 C s : 球 面像差係數 ~ 1mm ~ 3mm 比電 子波 長 大太多
50 Chromatic Aberration Corrector
51 Hubble Telescope aberration corrected
52 C. 散光 (Astigmatism) n 散光最主要的原因是磁場的不均勻匀性 當電 子感到這不均勻匀性 會被聚焦在光軸的不同位置 ( 因為軟鐵不易加 工的完美對稱 ) n Δf 是因散光 而引起的焦距發散 n 散光可很容易由散光器來補償 ( 最主要用於補償聚光鏡及物鏡 ) n 散光器 (Stigmator) 是一個四極透鏡
53 桌上型分析式掃描電鏡之技術 550mm 505mm 475mm 65kg
54 Established Technologies - Electron Optics design - E-gun: Thermionic/ FEG gun - Lenses: Condenser/ Objective lenses - Multipole: Deflector/ Stigmator - control electronic boards/ software - image acquizition - BSED Detectors Table Top SEM electron Gun 1 st condenser lens 2 nd condenser lens Deflector Objective lens stigmater Ray Tracing FEG gun
55 Established Technologies Control Electronics Boards (a) (b) (c) Voltage (gun) vacuum (pump) condenser lenses (spot size, resolution) objective lenses (focus, magnification) scanning (deflectors, magnifiaction) stigmatism (stigmators) image acquizition (processing) Auto-tuning and alignment (future). etc Home Made Electron Detector 20mm e-beam electron detector BSE detector back-scattered electron sample
56 Control Software Panel Voltage: 7, 15, 30keV magnification: 30x-10,000x resolution: 20nm image size: 1280x960 scan time: 2.5sec õ õ 3 minutes from Air to Ready Fully automatic control 1000x 5000x 10,000x fly 1000x 5000x 10,000x Al-Ag Cr2O3 NW
57 Control Software Panel Voltage: 7, 15, 30keV magnification: 30x-10,000x resolution: 20nm image size: 1280x960 scan time: 2.5sec õ õ 3 minutes from Air to Ready Fully automatic control 1000x 5000x 10,000x fly 1000x 5000x 10,000x Al-Ag Cr2O3 NW
58 Control Software Panel Voltage: 7, 15, 30keV magnification: 30x-10,000x resolution: 20nm image size: 1280x960 scan time: 2.5sec õ õ 3 minutes from Air to Ready Fully automatic control 1000x 5000x 10,000x fly 1000x 5000x 10,000x Al-Ag Cr2O3 NW
59 Control Software Panel Voltage: 7, 15, 30keV magnification: 30x-10,000x resolution: 20nm image size: 1280x960 scan time: 2.5sec õ õ 3 minutes from Air to Ready Fully automatic control 1000x 5000x 10,000x fly 1000x 5000x 10,000x Al-Ag Cr2O3 NW
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