扫描电镜（SEM）利用电子束对样品进行纳米级分辨率的图像分析。灯丝释放出电子，形成平行的电子束。然后，电子束通过透镜聚焦于样品表面。电子透镜是如何工作的？存在哪几种电子透镜？电子透镜是如何聚焦电子的？在这个博客中，我们将回答这些问题，并对电子透镜的工作原理给出一个大致的解释。

扫描电镜：电子、电子束和电子透镜

在上一篇博客中，我们简短地介绍了扫描电镜（SEM）是如何工作的。电子从灯丝中释放出来，然后平行于电子透镜。你可以在这里阅读更多关于CeB6灯丝和钨灯丝的比较。

电子束穿过镜筒——由一组透镜组成，透镜把电子束聚焦到样品表面上。电子显微镜透镜可以是静电的，也可以是有磁性的，这取决于它们是用静电场还是磁场来聚焦电子束。为了更好地理解这些透镜的工作原理，让我们回过头来看看电子是如何在静电场中偏转的。[1,2]

导向板

电子是带负电的粒子，在高能量的镜筒中穿行。使这些粒子偏转的一种方法是让它们通过由两个板块在电势+ U和- U上产生的电场，如图1a所示。

在电场的影响下，电子的偏转角度取决于电子能量，板块之间的电场以及板块的长度。

电子的速度越快或能量越强，偏转角度就会越小。电场越高，板块越长，偏转角度越大。一个由两种不同电位板组成的装置称为导向板。

为了得到一个静电透镜，可以考虑反射导向板，这样，在光轴上运动的电子可以聚焦在同一点上，如图1b所示。

电场只存在于电子开始进入和结束电子行程的过程，我们如何能得到像图1b所示的透镜效应?这个问题的答案在于，只要有透镜效应，电子束的能量就会产生改变，这意味着电子要么加速要么减速。这可以通过在电子束周围的不同电势来完成。

图1： （a）电子束导向板和（b）静电透镜。

静电透镜

静电透镜由金属板组成，与高电压相连接，电子穿过电子透镜。单孔透镜在高电压下由一个单一的金属板组成。

单孔透镜不仅可以终止加速场还能产生加速场。在*个例子中，透镜是正极的，这意味着电子束汇聚，如图2a所示，而在第二种情况下，透镜是负极的，这意味着电子束发散，如图2b所示。

双孔透镜由两个金属板组成，对准孔径，有不同的电位。图2c显示了一个加速的双孔透镜，其中两个板块之间的电场位于顶板上。

进入这个透镜的电子会感觉到一个强大的磁场，使它们靠近光轴。当它们穿过第二个板块时，电子会感觉到反向的力推动它们向透镜移动。总的来说，这是一个正极透镜，电子束聚焦在第二个板块之下的平面上。

一个三孔径的Einzel透镜由三个有对齐孔径的板组成，它们可以有相同的直径，也可以有不同的直径。在电子光学中，Einzel透镜通常被用于在透镜的入口和出口处，具有相等的电子电位。

在图2d中，一个加速的Einzel透镜显示，三个电极产生三个透镜：*个和第三个是正级的，第二个是负级的。总体的透镜是正极的，光束聚焦在第三个透镜下面的平面上。

图2：不同类型静电透镜的示意图：单孔径正负透镜（a,b），双孔透镜（c）和三孔径Einzel透镜（d）。

电磁透镜

电磁透镜使用洛伦兹力，它与电子的电荷和速度成正比，以偏转电子。磁透镜由一个金属体（称为铁磁电路）组成，以两个极片结束。

磁场由位于铁磁电路顶部的线圈所产生，如图3所示。透镜的强度可以通过改变磁场B来改变，这是通过改变杆件的几何形状，即杆件之间的距离，以及线圈电流来完成的。

图3：磁透镜

扫描电镜电子透镜

电子束由电子组成，电子被电子源释放，有一组透镜。电子被电子透镜压缩成束，然后通过zui终的透镜聚焦于样品表面，其也被称为物镜，如图4所示。电子源倾斜，样品上的扫描的电子束是由电子源和右边zui后一个透镜的线圈产生。

图4：电子柱

所有的扫描电镜（SEM）——无论我们是在谈论台式还是落地式——都有一个带有静电透镜和电磁透镜的镜筒。对台式扫描电镜（SEM）和落地式扫描电镜（SEM）的区别感到好奇，哪种扫描电镜对您的研究zui有利?

应用文献

[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