分析检测中心技术探秘：4D-STEM虚拟探测器成像及CoM成像
在半导体、新能源、催化等前沿领域，材料性能的提升依赖于对原子级结构与动态行为的精准解析。传统透射电子显微镜（TEM/STEM）虽能提供高分辨成像，但面临信息维度单一和参数固定性的局限，近些年来发展的4D-STEM技术耦合了多个维度信息，能够全面捕捉电子散射的完整物理信息。
本方案使用的机台为日本电子球差透射电子显微镜（Cs-TEM，JEOL NEOARM 200），搭配Merlin直接电子探测器相机采集4D-STEM数据，通过python代码处理，可以获得：
- 任意虚拟探测器对应的实空间图像
- 电子叠层重构成像
- 质心偏移（CoM）计算
- 微区电磁场测量
- 微区应变分布测量
- 微区晶体取向测量
图1展示了通过在倒空间（衍射平面）设置不同弧度、形状、位置的虚拟探测器作为mask；并进一步积分得到的样品实空间图像。
明场像（BF）收集衍射图谱中心的透射电子（低散射角，接近光轴），主要反映样品厚度、密度及非晶结构的形貌差异。
低角度环形暗场像（LAADF）收集小角度弹性散射电子，可用于晶体应变与取向分析。
环形明场像（ABF）收集围绕透射束的低角度环形区域电子。主要用于同时对轻重原子成像，与高角度环形暗场像（HAADF）互补。
环形暗场像（ADF，也指HAADF）收集高角度卢瑟福散射电子，对原子序数敏感，用于重元素原子成像。
离轴暗场像（off-axis DF）选择性收集特定的电子信号，可用于识别多晶材料中的晶粒取向或相分布；也可通过特定衍射条件成像揭示缺陷引起的局部应变。
图1. 不同虚拟探测器对应的实空间图像。第一行为倒空间图像，红色区域代表虚拟探测器位置。第二行代表虚拟探测器对应的实空间图像。
传统环形探测器不具备对散射电子的角度分辨能力。近些年来发展四分区探测器近似利用会聚束电子衍射盘质心偏移得到了差分相位衬度像（DPC），但此技术属于赛默飞世尔科技公司的专利。图2展示了通过处理4D-STEM数据集得到的准确CoM图像和模拟四分割探头得到的DPC分量图像。该方法成像主要应用于分析电磁场。
图2. DPC分量图像和CoM图像
图3展示了基于算法重构后的物体相位图像，适用于较多领域，如弱相位物体成像、非晶材料与缺陷分析、电磁场定量测量、辐射敏感材料低剂量成像等。
图3. 相位重构图像
深圳平湖实验室分析检测中心聚焦半导体分析检测专业领域，致力于成为产业发展的坚实后盾，提供从前端到后端全流程、全方位的服务包括样品制备、失效分析、显微结构分析、材料分析与工程产品封装、电性测试及可靠性测试，以根因剖析导向满足客户及市场的需求。专注为产业提供全面、细致且高效的解决方案。
中心硕博占比80%，资深工程师（工作经验5年以上）占比50%，主要来自于闳康、EAG、胜科纳米、中芯国际、台积电、英诺赛科等知名企业。
何光泽
分析检测中心首席专家
毕业于台湾中央大学，曾担任闳康科技失效分析处长，TPCA构装委员会委员，近30年失效分析经验，在新失效分析技术研发方面亦有丰富经验。
参考文献
[1]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (3), 2210017
