Детекторы для просвечивающей электронной микроскопии - Detectors for transmission electron microscopy

Для обнаружения и записи изображений доступны различные технологии, дифракционные картины, и спектры потерь энергии электронов произведено с использованием просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ).

Схема, показывающая базовую конструкцию сцинтилляторного (непрямого) и прямого детекторов электронов.

Традиционные методы обнаружения

Традиционно просвечивающее электронное изображение или дифракционную картину можно было наблюдать с помощью флуоресцентного смотрового экрана, состоящего из порошковых материалов. ZnS или ZnS / CdS, который возбуждается электронным пучком через катодолюминесценция.[1] Как только микроскопист сможет увидеть подходящее изображение на своем экране, изображения могут быть записаны с использованием фотопленка. Для электронных микроскопов пленка обычно состояла из слоя эмульсии желатина и галогенида серебра на пластиковой основе.[2] Галогенид серебра будет преобразован в серебро под воздействием электронного луча, а затем пленка может быть химически проявлена, чтобы сформировать изображение, которое можно оцифровать для анализа с помощью пленочного сканера.[2] В современных ПЭМ пленка в значительной степени заменена электронными детекторами.

CCD камеры

Устройство с зарядовой связью (CCD) камеры были впервые применены в просвечивающей электронной микроскопии в 1980-х годах, а затем получили широкое распространение.[3][4] Для использования в ПЭМ, ПЗС-матрицы обычно соединяются с сцинтиллятор например, монокристалл Иттрий-алюминиевый гранат (YAG), в котором электроны электронного луча преобразуются в фотоны, которые затем передаются на датчик ПЗС-матрицы через волоконно-оптическую пластину.[1] Основная причина этого заключается в том, что прямое воздействие пучка электронов высокой энергии может повредить ПЗС-матрицу датчика. Типичная ПЗС-матрица для ПЭМ также будет включать Устройство охлаждения Пельтье для снижения температуры датчика примерно до -30 ° C, что снижает темновой ток и улучшает соотношение сигнал / шум.[1]

CMOS камеры

Совсем недавно сцинтилляторные и волоконно-оптические камеры на основе дополнительный металлооксидный полупроводник (CMOS) электроника стала доступной для ТЕА.[5] КМОП-камеры имеют некоторые преимущества для электронной микроскопии по сравнению с ПЗС-камерами. Одно из преимуществ заключается в том, что камеры CMOS менее подвержены засветке, чем камеры CCD, то есть распространению заряда от перенасыщенных пикселей на соседние пиксели.[6] Еще одно преимущество состоит в том, что камеры CMOS могут иметь более высокую скорость считывания.[7]

Прямые электронные детекторы

Использование сцинтилляторов для преобразования электронов в фотоны в камерах CCD и CMOS снижает детективную квантовую эффективность (DQE) этих устройств. Прямые электронные детекторы, которые не имеют сцинтиллятора и непосредственно подвергаются воздействию электронного луча, обычно предлагают более высокий DQE, чем камеры, связанные с сцинтиллятором.[2][8] Существует два основных типа прямого электронного детектора, оба из которых были впервые применены в электронной микроскопии в 2000-х годах.[9][10]

- А гибридный детектор пикселей, также известный как детектор массива пикселей (PAD), имеет чип датчика, соединенный с отдельным чипом электроники, при этом каждый пиксель считывается параллельно. Пиксели обычно широкие и толстые, например 150 x 150 x 500 мкм для детектора матрицы пикселей электронного микроскопа (EMPAD), описанного Tate et al.[11] Этот большой размер пикселя позволяет каждому пикселю полностью поглощать электроны высокой энергии, обеспечивая высокий динамический диапазон. Однако большой размер пикселя ограничивает количество пикселей, которые могут быть включены в датчик.[11]

- монолитный датчик активных пикселей (MAPS) для ТЕМ - это детектор на основе КМОП, который был защищен от излучения, чтобы выдерживать прямое воздействие электронного луча. Чувствительный слой MAPS обычно очень тонкий, его толщина составляет всего 8 мкм.[10] Это уменьшает поперечное распространение электронов от электронного луча внутри детектирующего слоя датчика, что позволяет использовать пиксели меньшего размера, например 6,5 x 6,5 мкм для Прямой Электрон DE-16.[12] Меньший размер пикселя позволяет включать в датчик большое количество пикселей, хотя динамический диапазон обычно более ограничен, чем для гибридного пиксельного детектора.[12]

Детекторы для сканирующих ПЭМ (STEM)

Изображение SrTiO с атомным разрешением3, используя детекторы кольцевого темного поля (ADF) и кольцевого светлого поля (ABF). Оверлей: стронций (зеленый), титан (серый) и кислород (красный).

В сканирование ТЕМ (STEM) сфокусированный зонд растягивается по интересующей области, и сигнал записывается в каждом положении зонда для формирования изображения. Обычно для этого требуются другие типы детекторов, нежели обычная ПЭМ-визуализация, при которой освещается широкая область образца. Традиционная СТЭМ-визуализация включает в себя детекторы, такие как кольцевое темное поле (ADF) детектор, который интегрирует сигнал от электронов из заданного диапазона углов рассеяния в каждой позиции растра. Такие детекторы обычно могут состоять из сцинтиллятора, подключенного к фотоумножитель трубка.[13]

Сегментированные детекторы STEM, впервые представленные в 1994 году, позволяют получать информацию о дифференциальном фазовом контрасте.[14]

4D STEM предполагает использование камеры для визуализации, такой как гибридные пиксельные или прямые электронные детекторы MAPS, описанные выше, для записи всего сходящийся пучок электронная дифракция (CBED) шаблон в каждой позиции растра STEM.[12] Полученный четырехмерный набор данных затем можно проанализировать для восстановления произвольных изображений STEM или извлечения других типов информации из образца, например, деформации или карт электрического и магнитного поля.[15]

Рекомендации

  1. ^ а б c Реймер, Людвиг; Коль, Гельмут (2008). Просвечивающая электронная микроскопия Физика формирования изображения (5-е изд.). Springer. С. 126–138. ISBN  978-0387400938.
  2. ^ а б c Цзо, Цзянь Минь; Спенс, Джон К. (2017). Продвинутая просвечивающая электронная микроскопия, визуализация и дифракция в нанонауке. Springer. С. 223–228. ISBN  978-1493966059.
  3. ^ Робертс, П.Т.Е .; Chapman, J.N .; Маклауд, А. (1982). «Система записи изображений на основе ПЗС для CTEM». Ультрамикроскопия. 8 (4): 385–396. Дои:10.1016/0304-3991(82)90061-4. Получено 11 мая 2020.
  4. ^ Spence, J.C.H .; Цзо, J.M. (1988). «Большой динамический диапазон, система параллельного обнаружения для электронной дифракции и визуализации». Обзор научных инструментов. 59 (9): 2102–2105. Bibcode:1988RScI ... 59.2102S. Дои:10.1063/1.1140039.
  5. ^ Тиц, Х.Р. (2008). «Разработка и характеристика 64-мегапиксельного КМОП-детектора с оптоволоконной связью для просвечивающей электронной микроскопии». Микроскопия и микроанализ. 14 (S2): 804–805. Bibcode:2008MiMic..14S.804T. Дои:10.1017 / S1431927608084675. Получено 11 мая 2020.
  6. ^ Херрес, Дэвид (29 мая 2019 г.). «Разница между распознаванием изображений CCD и CMOS». WTWH Media LLC. Получено 11 мая 2020.
  7. ^ Мойнихан, Тим (29 декабря 2011 г.). «CMOS побеждает в битве за сенсор камеры, и вот почему». TechHive. Получено 11 мая 2020.
  8. ^ Чэн, Ифань; Григорьев, Николаус; Penczek, Pawel A .; Вальц, Томас (2015-04-23). «Праймер для криоэлектронной микроскопии одиночных частиц». Клетка. 161 (3): 438–449. Дои:10.1016 / j.cell.2015.03.050. ISSN  0092-8674. ЧВК  4409659. PMID  25910204.
  9. ^ Faruqi, A.R .; Cattermole, D.M .; Хендерсон, Р .; Mikulec, B .; Реберн, К. (2003). «Оценка гибридного пиксельного детектора для электронной микроскопии». Ультрамикроскопия. 94 (3–4): 263–276. Дои:10.1016 / S0304-3991 (02) 00336-4. PMID  12524196. Получено 11 мая 2020.
  10. ^ а б Milazzo, A.C .; Leblanc, P .; Duttweiler, F .; Jin, L .; Bouwer, J.C .; Peltier, S .; Эллисман, М .; Bieser, F .; Matis, H.S .; Wieman, H .; Denes, P .; Kleinfelder, S .; Xuong, N.H. (2005). «Матрица активных пикселей как детектор для электронной микроскопии». Ультрамикроскопия. 104 (2): 152–159. Дои:10.1016 / j.ultramic.2005.03.006. PMID  15890445. Получено 11 мая 2020.
  11. ^ а б Tate, M.W .; Purohit, P .; Чемберлен, Д .; Nguyen, K.X .; Hovden, R .; Chang, C.S .; Deb, P .; Тургут, Э .; Heron, J.T .; Schlom, D .; Ralph, D .; Fuchs, G.D .; Shanks, K.S .; Philipp, H.T .; Muller, D.A .; Грюнер, С. (2016). "Детектор матрицы пикселей с расширенным динамическим диапазоном для сканирующей просвечивающей электронной микроскопии". Микроскопия и микроанализ. 22 (1): 237–249. arXiv:1511.03539. Bibcode:2016MiMic..22..237T. Дои:10.1017 / S1431927615015664. PMID  26750260. Получено 11 мая 2020.
  12. ^ а б c Levin, B.D.A .; Zhang, C .; Bammes, B .; Войлс, П.М.; Билхорн, Р. Б. (2020). «4D STEM с прямым детектором электронов». Микроскопия и анализ (46): 20–23. Получено 11 мая 2020.
  13. ^ Kirkland, E.J .; Томас, М. (1996). «Высокоэффективный кольцевой детектор темного поля для STEM». Ультрамикроскопия. 62 (1–2): 79–88. Дои:10.1016/0304-3991(95)00092-5. PMID  22666919. Получено 11 мая 2020.
  14. ^ Haider, M .; Эпштейн, А .; Jarron, P .; Булен, К. (1994). «Универсальный, программно конфигурируемый многоканальный STEM-детектор для получения изображений с угловым разрешением». Ультрамикроскопия. 54 (1): 41–59. Дои:10.1016/0304-3991(94)90091-4. Получено 11 мая 2020.
  15. ^ Офус, К. (2019). «Четырехмерная сканирующая трансмиссионная электронная микроскопия (4D-STEM): от сканирующей нанодифракции до птихографии и не только». Микроскопия и микроанализ. 25 (3): 563–582. Bibcode:2019MiMic..25..563O. Дои:10.1017 / S1431927619000497. PMID  31084643. Получено 11 мая 2020.