場發射式電子槍則比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度又分別高出 10 - 100 倍,同時電子能量散佈僅為 0.2 - 0.3 eV,所以目前市售的高解析度掃描式電子顯微鏡都採用場發射式電子槍,其解析度可高達 1nm 以下。
10. 場發射電子槍可細分成三種:冷場發射式(cold field emission , FE),熱場發射式(thermal field emission ,TF),及蕭基發射式(Schottky emission ,SE)
11. 當在真空中的金屬表面受到108V/cm大小的電子加速電場時,會有可觀數量的電子發射出來,此過程叫做場發射,其原理是高電場使電子的電位障礙產生Schottky效應,亦即使能障寬度變窄,高度變低,因此電子可直接"穿隧"通過此狹窄能障並離開陰極。場發射電子係從很尖銳的陰極尖端所發射出來,因此可得極細而又具高電流密度的電子束,其亮度可達熱游離電子槍的數百倍,或甚至千倍。
12. 場發射電子槍所選用的陰極材料必需是高強度材料,以能承受高電場所加諸在陰極尖端的高機械應力,鎢即因高強度而成為較佳的陰極材料。場發射槍通常以上下一組陽極來產生吸取電子、聚焦、及加速電子等功能。利用陽極的特殊外形所產生的靜電場,能對電子產生聚焦效果,所以不再需要威氏罩或柵極。第一(上)陽極主要是改變場發射的吸取電壓(extraction voltage),以控制針尖場發射的電流強度,而第二(下)陽極主要是決定加速電壓,以將電子加速至所需要的能量。
13. 要從極細的鎢針尖場發射電子,金屬表面必需完全乾淨,無任何外來材料的原子或分子在其表面,即使只有一個外來原子落在表面亦會降低電子的場發射,所以場發射電子槍必需保持超高真空度,來防止鎢陰極表面累積原子。由於超高真空設備價格極為高昂,所以一般除非需要高解析度SEM,否則較少採用場發射電子槍。
14. 冷場發射式最大的優點為電子束直徑最小,亮度最高,因此影像解析度最優。能量散佈最小,故能改善在低電壓操作的效果。為避免針尖被外來氣體吸附,而降低場發射電流,並使發射電流不穩定,冷場發射式電子槍必需在10-10 torr的真空度下操作,雖然如此,還是需要定時短暫加熱針尖至2500K(此過程叫做flashing),以去除所吸附的氣體原子。它的另一缺點是發射的總電流最小。
15. 熱場發式電子槍是在1800K溫度下操作,避免了大部份的氣體分子吸附在針尖表面,所以免除了針尖flashing的需要。熱式能維持較佳的發射電流穩定度,並能在較差的真空度下(10-9 torr)操作。雖然亮度與冷式相類似,但其電子能量散佈卻比冷式大3~5倍,影像解析度較差,通常較不常使用。
16. 蕭基發射式的操作溫度為1800K,它係在鎢(100)單晶上鍍ZrO覆蓋層,ZrO將功函數從純鎢的4.5eV降至2.8eV,而外加高電場更使電位障壁變窄變低,使得電子很容易以熱能的方式跳過能障(並非穿隧效應),逃出針尖表面,所需真空度約10-8~10-9torr。其發射電流穩定度佳,而且發射的總電流也大。而其電子能量散佈很小,僅稍遜於冷場發射式電子槍。其電子源直徑比冷式大,所以影像解析度也比冷場發射式稍差一點。