[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种基于高度相干单原子电子源的低电压相干电子显微成像方法，可在加速电压低于10 kV的条件下实现对厚度小于5 nm的薄材料的原子分辨率成像。通过采用无透镜和含透镜的透射方案，并利用可伸缩的像板捕获大角度衍射图案，该方法实现了高对比度、低损伤成像，初步结果表明使用单原子源具有可行性。

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.

研究动机与目标

• 为克服电子源相干性和束能限制导致在10 kV以下电压下难以实现电子显微镜原子分辨率成像的挑战。
• 开发降低辐射损伤的同时保持透射电子显微镜中高空间分辨率的相干成像技术。
• 展示使用高度相干单原子电子源的无透镜和含透镜设计在低电压相干成像中的可行性。
• 通过可伸缩像板实现高角度衍射图案的记录，用于相位重构和原子尺度结构分析。

提出的方法

• 利用高度相干的单原子电子源产生空间相干的电子束，用于低电压成像。
• 采用可伸缩像板在光束传播方向的多个轴向位置记录透射图案。
• 应用无透镜相干成像（如类似ptychography的方法）和含透镜设计，从衍射图案中重构相位和振幅信息。
• 实施透射型成像方案以适用于薄样品（<5 nm），最大限度减少多次散射并保持相干性。
• 采用反射型方案作为探测表面原子和电子结构的新方法。
• 依赖相位重构算法，从测量的衍射强度中重构高分辨率图像。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用单原子电子源在电子加速电压低于10 kV的条件下实现原子分辨率成像？
• RQ2 单原子源的相干性如何在低电压透射电子显微镜中实现高分辨率相干成像？
• RQ3 在低电压相干电子成像中，无透镜与含透镜设计的优势与局限性是什么？
• RQ4 可伸缩像板系统能否有效捕获低电压下用于相位重构的高角度衍射图案？
• RQ5 反射模式相干电子成像能否为表面原子和电子结构提供新见解？

主要发现

• 初步实验结果证实了使用单原子电子源进行低电压相干电子成像的可行性。
• 单原子源提供了足够的空间相干性，使在10 kV以下电压下实现原子分辨率成像成为可能。
• 可伸缩像板设计成功捕获了多个轴向位置的透射图案，支持相位重构重建。
• 无透镜和含透镜的透射方案均显示出在减少辐射损伤的同时实现高分辨率成像的潜力。
• 提出反射型相干成像方案作为表征表面结构的新方法。
• 该方法实现了高成像对比度并最小化样品损伤，使对辐射敏感材料的研究成为可能。