[論文レビュー] Low-voltage coherent electron imaging based on a single-atom electron

Wei-Tse Chang, Chun-Yueh Lin+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2015

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications参考文献 73被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、原子単位の高空間コherentlyな電子源を用いて、10 kV未満の加速電圧で5 nm未満の薄い材料の原子分解能イメージングを実現する低電圧コherent電子イメージングを提案する。可動式の画像板を用いたレンズなしおよびレンズを内蔵する透過方式により、高角度回折パターンを取得することで、高コントラストで低損傷なイメージングが可能となり、初期の結果では単一原子源を用いた実現可能性が示された。

ABSTRACT

It has been a general trend to develop low-voltage electron microscopes due to their high imaging contrast of the sample and low radiation damage. Atom-resolved transmission electron microscopes with voltages as low as 15-40 kV have been demonstrated. However, achieving atomic resolution at voltages lower than 10 kV is extremely difficult. An alternative approach is coherent imaging or phase retrieval imaging, which requires a sufficiently coherent source and an adequately small detection area on the sample as well as the detection of high-angle diffracted patterns with a sufficient resolution. In this work, we propose several transmission-type schemes to achieve coherent imaging of thin materials (less than 5 nm thick) with atomic resolution at voltages lower than 10 kV. Experimental schemes of both lens-less and lens-containing designs are presented and the advantages and challenges of these schemes are discussed. Preliminary results based on a highly coherent single-atom electron source are presented. The image plate is designed to be retractable to record the transmission patterns at different positions along the beam propagation direction. In addition, reflection-type coherent electron imaging schemes are also proposed as novel methods for characterizing surface atomic and electronic structures of materials.

研究の動機と目的

• 10 kV未満の電圧で原子分解能を達成するための電子源のコherently性とビームエネルギーの制限に起因する課題を克服すること。
• 放射線損傷を低減しつつ、トランスミッション電子顕微鏡における高い空間分解能を維持するコherentイメージング技術の開発。
• 高空間コherentlyな単一原子電子源を用いた低電圧コherentイメージングにおけるレンズなしおよびレンズを内蔵する設計の実現可能性の検証。
• 可動式画像板を用いた高角度回折パターンの記録により、位相再構成および原子スケールの構造解析を可能にする。

提案手法

• 高空間コherentlyな単一原子電子源を用いて、低電圧イメージングに適した空間的コherentlyな電子ビームを生成する。
• ビーム伝播方向に複数の軸方向位置で、可動式の画像板を用いて透過パターンを記録する。
• レンズなしコherentイメージング（例：プチコグラフィーに類似）およびレンズを内蔵する設計を用いて、回折パターンから位相および振幅情報を再構成する。
• 多重散乱を最小限に抑えてコherently性を保持するため、薄い試料（<5 nm）に対して透過型イメージング方式を実装する。
• 表面の原子および電子的構造をプローブする新しい手法として、反射型方式を採用する。
• 測定された回折強度から高分解能画像を再構成するための位相再構成アルゴリズムを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一原子電子源を用いて10 kV未満の加速電圧で原子分解能イメージングを達成できるか？
• RQ2 単一原子源のコherently性が、低電圧トランスミッション電子顕微鏡における高分解能コherentイメージングをどのように可能にするか？
• RQ3 低電圧コherent電子イメージングにおいて、レンズなしとレンズを内蔵する設計の利点と制限は何か？
• RQ4 可動式画像板システムは、低電圧条件下で位相再構成に適した高角度回折パターンを効果的に記録できるか？
• RQ5 反射モードのコherent電子イメージングは、表面の原子および電子的構造に関する新たな知見を提供できるか？

主な発見

• 初期の実験結果により、単一原子電子源を用いた低電圧コherent電子イメージングの実現可能性が確認された。
• 単一原子源は、10 kV未満の電圧で原子分解能イメージングを可能にする十分な空間的コherently性を提供する。
• 可動式画像板設計により、複数の軸方向位置での透過パターンの記録に成功し、位相再構成再構成の支援が得られた。
• レンズなしおよびレンズを内蔵する透過方式の両方が、放射線損傷を低減しつつ高分解能イメージングの可能性を示した。
• 表面構造の特徴付けのための新しい手法として、反射型コherentイメージング方式が提案された。
• 最小限の試料損傷で高いイメージコントラストを達成でき、放射線感受性材料の研究が可能になった。