低能电子点源显微镜的研制及初步实验结果

　　1 引 言

　　低能电子点源显微镜(Low-Energy Electron PointSource (LEEPS) microscope)是点投影电子显微镜(PointProjector Electron Microscope, PPM[1])的一种。它使用场发射电子束作为电子源。电子源发出的电子束照射在与电子源相距δz 的物样上并与之相互作用后，即在物样后方与发射源相距 Z 处的荧光屏上形成样品的投影像或电子全息像，其放大倍数可以用表达式 M=Z/ δz 计算。其原理如图 1 所示。LEEPS 显微镜可以用来观察微观物体的形貌，并借微观物体的电子全息像判断场发射电子源发射相干电子束的能力。当场发射源具有一定相干性，且电子源与被观测样品距离足够近时，则可在荧光屏上观察到相干电子束的干涉条纹。此时，微观样品(如纳米管、纳米纤维等)可视为电子双棱镜的分束丝，具有一定相干性的电子束照射在微观样品上时被分为两束，在经过微观样品后再次交迭形成干涉条纹，干涉条纹的尺寸、数量及清晰度即反映出场发射电子束的相干度[2-5]。

　　随着现代扫描探针显微镜(SPM)定位以及隔振技术的发展，LEEPS 显微镜已经能够在实空间实时获得放大倍数在 106倍量级，并且具有纳米级甚至原子级分辨率[6-8]的微观物体形貌像。由于具有高放大倍数、低辐射损伤等优点，LEEPS 显微镜可用于观测难以承受高能电子辐射的生物体样品[9,10]，并可在小幅改装后用于精确测量微观电场[11]和磁场的分布[12]

　　2 低能电子投影点源显微镜的构造

　　为了开展对高强度高亮度低能相干电子束的研究，我们自主研制了一台 LEEPS 显微镜设备，图 2(a)、(b)分别是其实物图和内部结构简图。图(b)中的冷阱用于针尖降温，场发射针尖可以绕水平轴或竖直轴旋转360o，物样放置在逼近系统上面。LEEPS 显微镜由放置在金属真空腔室中的场发射源、位移控制系统和成像装置三部分组成，既可以作为LEEPS 显微镜使用，也可以作为场发射显微镜(FEM)使用。在我们的设备中，场发射源与荧光屏间的距离Z 约为 172mm，源- 物样距离δz 在0～15mm 内可调。当δz 逼近至1μm 量级时，投影像的放大倍数可达 105倍量级。真空室内样品架上可存储6 个场发射针尖及5 个承载待观测样品的透射电子显微镜(TEM)中使用的微栅，实验过程中可以在不破坏真空的条件下通过外控磁旋转和传送杆更换针尖和物样。实验中测得 T E M 微栅对低能场发射电子束(20～1000eV)的透过率只有3～5%，肉眼能观察到荧光屏成像所需的最低电流约为0 . 3μA 。同时为避免针尖损坏，场发射电流不能过大。因此，为了能观测到投影像，必须使用微通道板组件增强图像，即，在其上加4kV 高压增加电子束能量。通过微通道板像增强后，只需要 1nA 就可以在荧光屏上获得较明亮的像。