亞納米級高分辨率掃描電子顯微鏡

蔡司代理三本精密儀器小編介紹掃描電鏡的分辨率取得了重大進步，已進入亞納米級，這在很大程度上歸功于硬件的改進，如更亮的場發(fā)射電子源，更好的電子光學(xué)設(shè)計(如單色器、像差矯正和減速技術(shù)等)，更高效的探測器，以及更好的真空和更穩(wěn)定的樣品臺。分辨率提升的效果顯而易見，但是也通常伴隨著復(fù)雜性和成本的顯著增加。

從電子光學(xué)上考量，硬件進步的基本原理是持續(xù)減小束斑以帶來更好的分辨率，同時不過于犧牲束流。為獲得更好的信噪比，有時還要增加累計時間。但這些措施仍有許多限制。首先，亮度方程反映出的束流和束斑的矛盾沒有得到根本解決，束流本身也難以同時兼顧襯度閾值和分辨率。其次，當(dāng)面對生物樣品等電子束敏感樣品時，通過增加駐留時間來改善圖像的信噪比的做法可能導(dǎo)致樣品漂移，污染和損傷。

基于軟件的技術(shù)可以提供一種提高分辨率的策略，這種方法降低了對硬件和成本的要求，在未來可能會受到更廣泛的關(guān)注。此外，算法的進步和計算能力的大幅提高，基于軟件的方法也比過去更為實用。

在電子光學(xué)中，理想物點尺寸因衍射及其他像差的存在而擴展，再考慮到電子束與樣品作用后各種信號溢出后的空間分布，這些因素導(dǎo)致信號電子分布在一個較廣的范圍，而不再單純反映局域的信息。當(dāng)信號電子的空間分布遠超出樣品像素大小，這會導(dǎo)致圖像中嚴(yán)重的像素重疊和模糊。

從光學(xué)和信息論的角度看，這些造成模糊的因素可以被視為點擴散函數(shù)(Point spread function，PSF)。當(dāng)相平面沒有任何樣品時，PSF可以被認為是垂直于電子束軸的聚焦面上電子的空間分布;當(dāng)測試樣品時，再將形貌因素、信號電子的溢出區(qū)和空間分布考慮進去，得到電子束的空間分布曲線。所以PSF跟電子光學(xué)系統(tǒng)和樣品都有關(guān)。

PSF方法結(jié)合貝葉斯方法可以在銳化圖像的同時不引入偽像。圖像的修復(fù)降低了成像對束斑的要求，大束斑也可以形成清晰的圖像。通過圖像修復(fù)，碳膜上金納米顆粒在低加速電壓非減速模式時，可以實現(xiàn)減速模式或者高加速電壓的圖片效果。

PSF并結(jié)合去卷積的方法，提高各種類型電鏡的背散射電子、二次電子和透射電子圖像的分辨率和質(zhì)量，同時還能夠?qū)⑾裆⒑碗x焦的圖像進行修復(fù)。加之電鏡圖像是數(shù)字化形式處理和存儲的，可以選擇數(shù)字圖像處理技術(shù)降低噪聲。

在某些條件下，光鏡和透射電鏡的PSF受影響因素較少，可以較簡單地從成像過程的物理定律中算出。但是由電子在樣品內(nèi)部的多次散射，在掃描電鏡中確定點擴展函數(shù)的困難還很大。文獻中的成功應(yīng)用還較少地局限在形貌和成分較簡單的樣品中。而且，現(xiàn)在圖像修復(fù)的應(yīng)用案例還較少，修復(fù)的方法較繁瑣，算法還有很大提升空間。