[发明专利]用于压缩扫描电子显微术的系统和方法

说明书

政府权利的声明

由于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的运作，美国政府依据美国能源部和劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司(LawrenceLivermoreNationalSecurity,LLC.)之间的第DE-AC52-07NA27344号合同对本发明拥有权利。

技术领域

本公开内容涉及扫描透射电子显微术(STEM)，并且更具体地，本公开内容涉及用于执行STEM的系统和方法，其还在扫描期间在对射束强度或扫描速度或扫描路径的快速调制的情况下利用压缩感测来更有效地利用采集时间和递送给样本的电子束剂量。

背景技术

本节中的陈述仅提供涉及本公开内容的背景信息，并且可以不构成现有技术。

研究和工业中的许多应用得益于利用扫描透射电子显微术(STEM)衍射、高角度环形暗场STEM(HAADF-STEM)、STEM电子能量损失能谱(STEM-EELS)以及STEM能量色散X射线谱(STEM-EDX)而获得的光谱信息和高分辨率结构。典型的操作序列是设置仪器以采集感兴趣的信号、将精密聚焦电子探针放置在样本的一个点上、采集信号(例如，衍射图案、来自HAADF探测器的当前读数，或损失能谱)，以及然后移动探针且重复上述操作。虽然自动化系统使得这一切能够在限定明确的规则2D阵列中快速发生，但是信息返回很不理想。在STEM衍射和STEM-EELS的情况下，每次采集可能花费明显的零点几秒或者甚至几秒，以使得对样本的整个扫描可能需要几个小时。然而，这样获得的大部分信息在某种意义上是多余的。此外，与STEM衍射相比，HAADF-STEM扫描可以进行地更快但是返回的信息更少；给定STEM衍射数据集，可以重建任何常规STEM图像(HAADF、常规明视场、环形明视场、分裂式探测器等)所产生的内容，同时还使用来自布拉格衍射的信息来识别晶相和取向。因此，类似于在总曝光时间上可与HAADF-STEM相比拟的STEM衍射的情况，提供数据返回的技术代表有关这两种技术的实质性改进。

众所周知，尤其对于STEM-EELS，存在针对数据集是“稀疏”的数据的表示。这意味着每个光谱或衍射图案都可以以高精度表示为相对小数量的主要成分或独立成分的组合，以及许多光谱和衍射图案看起来彼此非常相似。从信息理论的角度来看，这意味着在扫描中采集的很多信号是多余的且实际上没有提供有关样本的新的、相关的、独立的信息。对于HAADF-STEM，可以进行更快的扫描，但是从每个电子仅取回少量信息；更具体地，电子击中或没有击中HAADF探测器。这是因为HAADF的存在代表了一种实践上的妥协。本质上利相机进行操作的STEM衍射系统非常快但是只具有单个像素。

过去为了改进STEM数据吞吐量所做出的努力集中在改进探针形成系统中的亮度、稳定性和色差以及探测器的信噪比。现在，信噪比达到探测单个电子的水平，且探针电流密度足够高以使得对样本的射束损坏经常是分辨率极限，这些策略缺少改进的余地。因此，需要新的系统和方法以在执行STEM衍射或STEM-EELS时更有效地利用采集时间和递送给样本的电子束剂量。

发明内容

本公开内容的一个方面涉及一种扫描透射电子显微术(STEM)系统。该系统可以利用电子束扫描系统，该电子束扫描系统被配置为在基本上整个样本之上产生多次电子束扫描，其中每次扫描在扫描的行程中改变电子照明强度。信号采集系统可以用于从扫描中获得图像，该图像表示来自包括图像的所有可用像素的仅选定子集(或者更通常地是任意线性组合)的信息。可以从信息生成数据集。子系统可以用于对数据集进行数学分析来重建信息，该信息由常规STEM采集中的每个像素生成。