[논문 리뷰] Multimode Objective Lens for Momentum Microscopy and XPEEM: Experiments

O. Tkach, Sotirios Fragkos외 38명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 18.

Advanced Electron Microscopy Techniques and ApplicationsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 XPEEM 및 동량 현미경에 적합한 새로운 다중 모드 목표 렌즈를 제안한다. 렌즈는 샘플과 추출 전극 사이의 간극에서 전기장을 형상화하기 위해 동심 원형 전극을 사용하며, 이로 인해 전기장 강도가 최대 10배 감소하고, 필드 에미션을 완화시킨다. 이 렌즈는 제로 필드 모드와 리펠러 모드를 지원하며, 공간 전하 효과를 줄이고 시야 범위를 넓힌 상태에서 원시 해상도 250 nm(개선 시 <100 nm)를 달성한다. 기존의 커토드 렌즈에 비해 우수한 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

A new type of objective lens has recently been proposed for use in X-ray photoemission electron microscopes (XPEEMs) and momentum microscopes. Adding a ring electrode concentric with the extractor allows the field in the gap between the sample and the extractor to be shaped. Forming a lens field in this gap reduces the field strength at the sample by up to an order of magnitude. This mitigates the risk of field emission, particularly for cleaved samples with sharp edges. A retarding field can redirect all slow electrons, thus eliminating the primary contribution to the space-charge interaction. Here we present the first experimental investigation of the new lens, examining its performance at photon energies ranging from the extreme ultraviolet produced by a high-harmonic generation (HHG)-based source to soft and hard X-rays at two synchrotron facilities. The gap lens in a region without electrodes enables large working distances up to 23 mm. Reduced aberrations allow for larger fields of view in both k-space and real-space imaging, with resolutions comparable to those of conventional cathode lenses. However, field strengths are an order of magnitude smaller. The zero-field mode enables the study of 3D structured objects and is therefore beneficial for small cleaved samples as well as for operando devices involving top electrodes. The repeller mode reduces space-charge effects, but results in a smaller k-field diameter. This reduction ranges from 10% at hard X-ray energies to 50% in the XUV range. The usable energy interval is also reduced by a factor of two. In time-of-flight XPEEM mode the raw data show a resolution of 250 nm, which can be improved to better than 100 nm through data processing.

연구 동기 및 목표

• 갈라진 표면 또는 민감한 표본을 위한 XPEEM 및 동량 현미경에서의 필드 에미션과 공간 전하 효과를 해결하기 위해.
• 해상도나 시야 범위를 희생시키지 않고 제로 필드 모드와 리펠러 모드를 포함한 다중 모드로 작동할 수 있는 렌즈 설계를 개발하기 위해.
• 상부 전극이 있는 3차원 구조 표본과 작동 중 장치의 고해상도 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 사용 가능한 에너지 범위를 확장하고 극자외선, 연질 X선, 경질 X선 영역에서의 성능을 향상시키기 위해.
• 고조파 발생 및 범선원을 이용해 싱크로트론 시설에서 실험적으로 렌즈를 검증하기 위해.

제안 방법

• 샘플과 추출 전극 사이의 간극에서 전기장을 형상화하기 위해 추출 전극 주위에 동심 원형 전극을 추가하여 다중 모드 작동을 가능하게 한다.
• 렌즈는 주로 두 가지 모드로 작동한다: 제로 필드 모드에서는 표면에서 전기장이 최소화되고, 리펠러 모드에서는 감속 전기장이 느린 전자를 반사시킨다.
• 제로 필드 모드에서는 샘플과 추출 전극 사이의 간극이 전기장이 없는 상태이며, 이로 인해 최대 23 mm의 작동 거리가 가능하다.
• 전기장 형상화로 인해 샘플에서의 전기장 강도가 최대 10배 감소하여 필드 에미션 위험을 크게 낮춘다.
• 렌즈 설계는 비틀림을 최소화하여 고해상도를 유지하며, k-공간 및 실공간에서 넓은 시야를 확보한다.
• 해상도 평가를 위해 타임오브플라잇 XPEEM 모드를 사용하고, 이미지 품질 향상을 위해 데이터 처리 기법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 모드 목표 렌즈는 XPEEM 및 동량 현미경에서 필드 에미션을 줄이면서도 고해상도를 유지할 수 있는가?
• RQ2 원형 전극의 포함이 렌즈 간극 내 전기장 분포와 전자 궤적 제어에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 리펠러 모드는 공간 전하 효과를 어느 정도 감소시키며, 에너지 범위와 k-공간 직경에 대해 어떤 상충 관계가 존재하는가?
• RQ4 렌즈는 상부 전극이 있는 3차원 구조 표본과 작동 중 장치의 영상 촬영을 지원할 수 있는가?
• RQ5 타임오브플라잇 XPEEM 모드에서의 가시 해상도는 얼마이며, 데이터 처리로 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 렌즈는 샘플에서 전기장 강도를 최대 10배 감소시켜, 날카로운 가장자리가 있는 갈라진 표본에 특히 유리하게 필드 에미션 위험을 크게 완화시킨다.
• 제로 필드 모드는 3차원 구조 표본과 상부 전극이 있는 작동 중 장치의 영상 촬영을 가능하게 하며, 최대 23 mm의 큰 작동 거리를 지원한다.
• 리펠러 모드는 느린 전자를 반사시켜 공간 전하 효과를 감소시키지만, 경질 X선 에너지에서는 가용 k-필드 직경이 10% 감소하고, XUV 범위에서는 최대 50% 감소한다.
• 전자 에너지 선택 조건으로 인해 리펠러 모드에서는 사용 가능한 에너지 간격이 두 배로 감소한다.
• 타임오브플라잇 XPEEM 모드에서의 원시 해상도는 250 nm이며, 데이터 처리를 통해 100 nm 이하로 향상시킬 수 있다.
• 기존의 커토드 렌즈에 비해 비틀림이 감소하여, k-공간 및 실공간 영상에서 동일한 해상도를 유지하면서도 더 넓은 시야를 확보할 수 있다.