[论文解读] Multimode Objective Lens for Momentum Microscopy and XPEEM: Experiments

O. Tkach, Sotirios Fragkos+38 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2024

Advanced Electron Microscopy Techniques and ApplicationsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于XPEEM和动量显微镜的新型多模式物镜，通过同轴环形电极对样品与提取器之间的间隙电场进行整形，将电场强度降低多达一个数量级，从而减轻场致发射。该物镜支持零场模式与排斥器模式，实现250 nm原始分辨率（可提升至<100 nm），并减少空间电荷效应，相比传统阴极物镜具有更大的视场。

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.

研究动机与目标

• 解决XPEEM和动量显微镜中，特别是解理或敏感样品的场致发射与空间电荷效应问题。
• 开发一种可在多种模式下运行（零场与排斥器模式）而不牺牲分辨率或视场的物镜设计。
• 实现对具有顶电极的三维结构样品与原位器件的高分辨率成像。
• 扩展可用能量范围，并提升在极紫外、软X射线与硬X射线区域的性能。
• 在同步辐射装置上通过高次谐波与光束线光源对物镜进行实验验证。

提出的方法

• 在提取器周围增加同轴环形电极，以整形样品与物镜之间的间隙电场，实现多模式运行。
• 该物镜主要工作在两种模式：零场模式，即样品表面电场最小化；排斥器模式，即通过减速场将低能电子偏转。
• 在零场模式下，样品与提取器之间的间隙为无电场区域，支持最大23 mm的工作距离。
• 电场整形可将样品处的电场强度降低最多10倍，显著降低场致发射风险。
• 通过最小化像差，该物镜设计保持高分辨率，同时在k空间与实空间中均实现大视场成像。
• 采用飞行时间XPEEM模式评估分辨率，结合数据处理技术以提升图像质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 多模式物镜是否能在保持高分辨率的同时，降低XPEEM和动量显微镜中的场致发射？
• RQ2 环形电极的引入如何影响物镜间隙中的电场分布与电子轨迹控制？
• RQ3 排斥器模式在多大程度上减轻了空间电荷效应？其在能量范围与k空间直径方面存在何种权衡？
• RQ4 该物镜能否支持对具有顶电极的三维结构样品与原位器件的成像？
• RQ5 在飞行时间XPEEM模式下，可实现的分辨率为多少？通过数据处理可提升至何种程度？

主要发现

• 该物镜可将样品处的电场强度降低多达一个数量级，显著减轻场致发射风险，尤其适用于具有尖锐边缘的解理样品。
• 零场模式支持对三维结构样品与具有顶电极的原位器件成像，工作距离最大可达23 mm。
• 排斥器模式通过偏转低能电子减轻了空间电荷效应，但在硬X射线能量下使可用k场直径减少10%，在XUV波段减少高达50%。
• 由于电子能量选择的限制，排斥器模式下可用能量区间缩小了两倍。
• 飞行时间XPEEM模式下的原始分辨率达250 nm，经数据处理后可提升至100 nm以下。
• 与传统阴极物镜相比，像差显著降低，从而在保持相近分辨率的同时，实现了k空间与实空间成像中更大的视场。