利用离轴电子全息术研究开放式细胞环境透射电子显微镜中基于气体的电荷补偿现象

《Micron》：Study of gas-based charge compensation in an open-cell environmental TEM by off-axis electron holography

使用氮气进行电荷补偿的研究表明，在透射电子显微镜（TEM）中引入气体可暂时减少绝缘样品（如硅氮薄膜）的电荷积累和波动，通过电子全息术量化验证，但低空间分辨率和高时间分辨率的适用性仍需进一步证明。

　　

作者：Makoto Tokoro Schreiber | Cathal Cassidy

所属机构：加拿大阿尔伯塔大学物理系，埃德蒙顿

摘要

在电子轰击作用下，电绝缘样品会积累净电荷，这可能对电子显微镜的测量结果产生不利影响。本文初步研究了基于气体的电荷补偿方法，并通过离轴电子全息术对其效果进行了量化分析。根据现有数据，引入气体流动可以可逆地减少介电样品上的电荷积累和波动。因此，这种方法有助于研究那些在充电过程中容易发生严重变形、不稳定的样品，同时也有助于进一步探讨充电过程本身。然而，由于当前实验使用的是低空间分辨率的洛伦兹光学系统和较慢的时间分辨率，我们提醒读者，对于高空间和时间分辨率的应用，气体电荷补偿的有效性尚未得到证实。

引言

在电子显微镜中，由于电子束的作用，非导电样品上会积累电荷，这种现象是众所周知的。在扫描电子显微镜（SEM）中，电荷积累会导致各种问题，如亮斑以及图像失真或分辨率降低（Postek和Vladár，2015年）。通常通过在样品表面涂覆一层薄导电膜来减轻电荷效应。虽然这种方法有效，但通常是不可逆的，可能需要多次“原位”调整，并且可能会影响某些分析测量结果。除了样品改性外，还可以通过引入气体（Robinson，1975年；Moncrieff等人，1978年；Tang和Joy，2003年；Ji等人，2005年；Quan等人，2006年）、样品加热（Wang等人，2009年）或电荷冲洗装置（Crawford，1979年；Crawford，1980年）等方式来调节样品周围的环境以实现电荷补偿。这些方法的优点在于可以在“原位”调整电荷补偿程度。

对于透射电子显微镜（TEM），由于使用的电子能量较高且样品较薄，电荷效应可能更为隐蔽。因此，与SEM相比，TEM中关于电荷效应及其缓解策略的研究相对较少。尽管如此，仍有一些研究，特别是在冷冻电子显微镜领域（Curtis和Ferrier，1969年；Brink等人，1998b年；Brink等人，1998a年；Russo和Henderson，2018b年；Russo和Henderson，2018a年；Tokoro Schreiber等人，2023年）。此外，一些原本具有导电性的样品（如碳）在高电子注量下也会带电（Malac等人，2017年；Hettler等人，2018年；Hettler等人，2019年）。在低剂量测量中，也有尝试通过添加石墨烯层（Downing等人，2004年；Liu和Wang，2024年）或在导电样品附近成像（Berriman和Rosenthal，2012年）来减少电荷积累。但这些方法同样存在不可逆性或结果不一致的问题。一些常用的TEM基底材料（如氮化硅、氧化硅和氧化钛）也会强烈带电。某些定量技术（如离轴电子全息术）可用于研究材料上的电荷和电势（Frost，1998年；Yao等人，2013年；Cassidy等人，2017a年）。对于那些会因电子束作用而带电的样品，区分由电子束引起的电荷/电势与样品本身固有的电荷/电势较为困难（Beleggia等人，2003年；Yazdi等人，2015年；Park等人，2014年）。

在本研究中，我们探讨了气体在TEM中对样品充电的影响。传统观点认为，气体中的分子被电子束电离后释放出自由电子，这些自由电子会中和样品表面产生的正电荷。然而，电荷产生和补偿过程中可能还存在其他机制。目前尚无直接研究探讨气体对TEM中充电过程的具体影响，尽管有一些研究关注气体对成像性能的影响（Jinschek和Helveg，2012年；Ek等人，2016年；Cassidy等人，2017b年；Zhu和Browning，2017年；Hyllested和Beleggia，2021年）。本研究旨在初步验证这种技术的可行性和有效性，并通过离轴电子全息术对其效果进行量化分析。

实验部分

我们使用Thermo Fisher Titan G2 ETEM显微镜，加速电压为300 kV。该显微镜的样品平面采用开放式差分泵系统，可容纳高达2 kPa的气压。差分泵模式下的基础压力约为$2\times 10^{?4}$ Pa。显微镜配备有选区孔径处的电子双棱镜和CECOR（CEOS GmbH.）图像校正器。使用的非晶氮化硅（SiN）薄膜厚度约为$～$20 nm（型号SN100-A20MPQ05，Alliance公司制造）

导电和非导电薄膜的全息成像

我们首先展示了在相同基础压力条件下，对导电（碳）薄膜和绝缘（SiN）薄膜进行成像时得到的全息图差异（见图1(a)和(b)）。这两种全息图采用相同的光学系统获得，但条纹对比度存在显著差异（这与电子束在探测器处的相干性有关）$\text{FC}=\frac{I_{\text{max}}I\text{min}}{}$ 碳薄膜和SiN薄膜的条纹对比度分别为22.6$\pm 0.1$％和10.4$\pm 0.1$％。在真空中

真空条件下电荷效应与剂量率的关系

电荷积累可能受照射电子束剂量率的影响，这取决于二次电子的发射和补充速率以及样品的导电性。我们通过改变电子束尺寸来快速研究剂量率的影响。不同剂量率下的相位重建结果如图1(f)所示。结果表明，较低的相对剂量率会降低真空中的相位斜率及其程度

气体对充电全息图的影响

在了解了充电薄膜对电子全息图的影响后，我们进一步研究了向样品区域引入氮气对充电过程的影响。图4展示了在相同SiN薄膜区域和相同光学条件下，不同氮气压力下记录的全息图重建的相位图。高真空条件下的明显相位梯度在2 kPa氮气压力下逐渐减弱，几乎消失

结论

我们研究了向样品区域（开放式差分泵TEM）引入氮气对电绝缘氮化硅薄膜充电的影响。通过离轴电子全息术量化了这些效果，发现电荷均匀性、稳定性和幅度有所改善，尽管在最高2 kPa压力下电荷并未完全消除。但这并不一定是该技术的根本限制

作者贡献声明

Makoto Tokoro Schreiber：负责撰写、审稿与编辑、方法设计、实验实施、数据分析及概念构建。 Cathal Cassidy：负责撰写、审稿与编辑、方法设计、实验实施、数据分析及概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Marek Malac教授提供的宝贵意见。同时感谢OIST研究支持部门提供的显微镜设施支持。