موضوع مقاله: میکروسکوپ الکترونی عبوری پویشی چهاربعدی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # میکروسکوپ الکترونی عبوری پویشی چهاربعدی | مقدمه: میکروسکوپ الکترونی عبوریِ پویشی چهاربعدی (4D STEM) زیرمجموعه‌ای از میکروسکوپ الکترونی عبوریِ پویشی (STEM) است که در آن از یک آشکارساز الکترونی پیکسلی برای ثبت الگوی پراش الکترونی پرتو همگرا (CBRD) در هر نقطۀ پیمایش استفاده می‌شود. | ## بخش 1: میکروسکوپ الکترونی عبوری پویشی چهاربعدی | این روش در هر نقطۀ اسکن، یک تصویر دوبعدی از فضای وارون را ثبت می‌کند و هم‌زمان پرتو الکترونی بر روی ناحیه‌ای دوبعدی در فضای واقعی اسکن می‌شود؛ از این‌رو اصطلاح «چهاربعدی» برای آن به‌کار می‌رود. توسعۀ این فناوری به‌واسطۀ پیشرفت در آشکارسازهای STEM و افزایش توان محاسباتی امکان‌پذیر شد. این روش در تصویربرداری پراشی بصری، نقشه‌برداری جهت‌گیری و کرنش، تحلیل کنتراست فازی و چندین کاربرد دیگر استفاده می‌شود. تاریخچه استفاده از الگوهای پراش به‌عنوان تابعی از موقعیت، به نخستین روزهای میکروسکوپ الکترونی روبشی عبوری (STEM) بازمی‌گردد؛ برای نمونه، مرور اولیۀ جان ام. پژوهش‌های بعدی شامل تحلیل الگوهای پراش به‌عنوان تابعی از موقعیت پروب در سال 1995 است؛ جایی که پیتر نلیست، بی. رشتۀ مربوط به STEM چهاربعدی (4D STEM) برای مدتی طولانی توسعۀ اندکی داشت، زیرا توان آشکارسازهای آن زمان محدود بود. در نخستین مطالعات، از سیم‌پیچ‌های گریگسون برای پویش الگوی پراش استفاده می‌شد،[ یا از دوربین نوری متصل به صفحۀ فسفری. بعدها آشکارسازهای CCD در دسترس قرار گرفتند؛ اما با وجود کاربرد گستردۀ آن‌ها در میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، این آشکارسازها نرخ پایین گردآوری داده، توان ناکافی برای تعیین دقیق محل برخورد الکترون و دامنۀ پویا (dynamic range) محدود داشتند، که آن‌ها را برای کاربردهای 4D STEM نامطلوب می‌ساخت. فرایند گردآوری داده در 4D STEM مشابه STEM استاندارد است، اما هر روش از آشکارسازهای متفاوتی استفاده می‌کند و داده‌های گوناگونی جمع‌آوری می‌کند. در 4D STEM، یک آشکارساز الکترونی پیکسلی در صفحۀ کانونی پشتی قرار دارد که الگوی پراش الکترونی هم‌گسیل (CBED) را در هر موقعیت پیمایش ثبت می‌کند. می‌توان تصویری از نمونه ساخت، به این صورت که ناحیه‌ای در فضای متقابل انتخاب می‌شود و میانگین شدت آن ناحیه در هر الگوی CBED به پیکسل متناظر در فضای واقعی اختصاص می‌یابد. تصویر میدان‌تار حلقوی (ADF) می‌تواند مکمل تصویر میدان‌روشن باشد که از الگوهای CBED بازسازی شده است. به‌کارگیری یک آشکارساز حلقوی توخالی (با حفره در مرکز) می‌تواند اجازه دهد که الکترون‌های عبوری هنگام پیمایش به آشکارساز EELS منتقل شوند. این کار امکان جمع‌آوری هم‌زمان اطلاعات طیفی شیمیایی و اطلاعات ساختاری را فراهم می‌کند. (میدان روشن: BF، میدان تاریک حلقوی:ADF، میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا: HAADF) در TEM سنتی، آشکارسازهای تصویربرداری از سینتیلاتورهای فسفرسان همراه با یک دستگاه جفت‌شده با بار (CCD) برای آشکارسازی الکترون‌ها استفاده می‌کنند. علاوه بر این، استفاده از سینتیلاتور می‌تواند تابع گسترش نقطه‌ای (PSF) آشکارساز را بدتر کند؛ زیرا برهم‌کنش الکترون با سینتیلاتور باعث پهن‌شدگی سیگنال می‌شود. در مقابل، آشکارسازهای حلقوی سنتی در STEM سرعت خوانش مناسب را دارند، اما به‌جای ثبت یک الگوی کامل CBED، شدت جمع‌آوری‌شده را در محدوده‌ای از زوایا ادغام کرده و آن را به‌صورت یک نقطۀ داده ثبت می‌کند. توسعۀ آشکارسازهای پیکسلی در دهۀ 2010 با ویژگی‌هایی چون حساسیت تک‌الکترونی، سرعت خوانش بالا و دامنۀ پویای زیاد، موجب شد که 4D STEM به یک روش آزمایشی قابل‌اعتماد و کارآمد تبدیل شود. سنسور پیکسل فعال یکپارچه (MAPS) یک آشکارساز MAPS از یک تراشۀ CMOS (فلز-اکسید-نیم‌رسانا مکمل) به‌همراه یک لایۀ اپیتاکسی آلاییده تشکیل شده است؛ این لایه، الکترون‌های پرانرژی را به تعداد زیادی الکترون کم‌انرژی‌تر تبدیل می‌کند که سپس به سمت آشکارساز حرکت می‌کنند. به دلیل ساختار یکپارچه و طراحی سادۀ MAPS، این آشکارسازها می‌توانند به تراکم پیکسلی بسیاربالا (در حدود 4000*4000) دست یابند. این تراکم پیکسلی بالا، هنگامی که با دوزهای پایین الکترونی ترکیب شود، امکان شمارش تک‌الکترونی را برای تصویربرداری با بهره‌وری بالا فراهم می‌کند. علاوه بر این، آشکارسازهای MAPS معمولاً حساسیت الکترونی بالا و سرعت خوانش زیاد دارند، اما از دامنۀ پویای محدود رنج می‌برند. این آشکارسازها معمولاً تراکم پیکسلی پایین‌تری دارند (درحدود 128*128)، اما می‌توانند به دامنۀ پویای بسیار بالاتری در حدود 32 بیت دست یابند. عملکرد نویزی یک آشکارساز معمولاً با شاخص بهره‌وری کوانتومی آشکارسازی (DQE) سنجیده می‌شود که چنین تعریف می‌شود: که در آن مربع نسبت سیگنال به نویز خروجی و مربع نسبت سیگنال به نویز ورودی است. در حالت ایده‌آل، مقدار DQE برابر یک است؛ به این معنا که آشکارساز هیچ نویزی تولید نمی‌کند. روش‌های محاسباتی یکی از چالش‌های اصلی در 4D STEM، حجم بسیار بالای داده‌های تولیدشده توسط این روش است. در جریان تنها یک ساعت اسکن، ممکن است صدها ترابایت داده تولید شود؛ بنابراین استخراج اطلاعات معنادار از این داده‌ها دشوار بوده و به محاسبات پیشرفته نیاز دارد. تحلیل چنین مجموعه‌داده‌های بزرگی می‌تواند بسیار پیچیده باشد و به هنین دلیل، روش‌ها و ابزارهای محاسباتی گوناگونی برای پردازش داده‌های 4D STEM درحال توسعه هستند. تحلیل داده‌ها با بهره‌گیری از هوش مصنوعی نیز امکان‌پذیر است، با این حال برخی از این روش‌ها به پایگاه‌های دادۀ آموزشی گسترده نیاز دارند که درحال حاضر در دسترس نیستند. | ## بخش 2: میکروسکوپ الکترونی عبوری پویشی چهاربعدی | افزون بر این، نبود شاخص‌های استاندارد برای ارزیابی کیفیت داده، مقیاس‌پذیری محدود به دلیل پشتیبانی ضعیف میان‌سکویی در میان تولیدکنندگان مختلف، و همچنین نبود استانداردسازی در روش‌های تحلیل و آزمایشی، موجب بروز تردیدهایی دربارۀ قابلیت مقایسۀمجموعه‌داده‌های مختلف و بازتولیدپذیری نتایج شده است. کاربردهای منتخب روش 4D STEM در دامنۀ گسترده‌ای از کاربردها به‌کار گرفته شده است. رایج‌ترین کاربردها شامل تصویربرداری پراشی مجازی، نقشه‌برداری جهت‌گیری و کرنش، و تحلیل کنتراست فاز است که در ادامه به آن‌ها پرداخته می‌شود. این روش همچنین در حوزه‌های دیگری همچون اندازه‌گیری نظم میان‌بُرد (medium-range order)، تصویربرداری کنتراست کانال‌زنی ناحیۀ لائوی مرتبۀ بالاتر (HOLZ)، CBED میانگین‌گیری‌شده برحسب موقعیت، میکروسکوپی الکترونی نوسانی (FEM)، ویژگی‌یابی مواد زیستی و نیز کاربردهای پزشکی-از جمله بررسی ریزساختار مواد دارویی و نقشه‌برداری جهت‌گیری بلورهای پپتیدی-به‌کار رفته است. این فهرست به‌هیچ‌وجه کامل نیست و با توجه به نوپا بودن این حوزه، کاربردهای بیشتری همچنان در حال توسعه هستند. تصویربرداری پراش مجازی (میدان تاریک / میدان روشن) تصویربرداری پراش مجازی روشی است که برای تولید تصاویر فضای واقعی از الگوهای پراش توسعه یافته است. این تکنیک از دهۀ 1990 در توصیف ساختارهای مواد استفاده می‌شده است و در سال‌های اخیر در کاربردهای 4D STEM به‌کار گرفته شده است. این روش معمولاً در نانومیکروسکوپی پراش روبشی الکترونی (SEND) بهترین عملکرد را دارد، زیرا زاویۀ همگرایی پرتو در آن نسبتاً کم است و در نتیجه دیسک‌های پراش جدا از هم ایجاد می‌شوند (و بنابراین تفکیک‌پذیری در حد نانومتر، نه آنگستروم، به‌دست می‌آید.) «آشکارساز مجازی» در واقع یک آشکارساز فیزیکی نیست، بلکه یک روش پردازش داده است که در آن، زیرمجموعه‌ای از پیکسل‌های موجود در الگوهای پراش در هر موقعیت پویش ادغام می‌شوند تا یک تصویر میدان روشن (bright-field) یا میدان تاریک (dark-field) ساخته شود. در این روش ابتدا یک ناحیۀ مورد علاقه روی یک الگوی پراش نماینده انتخاب می‌شود و تنها پیکسل‌های واقع درون این روزنه برای ساخت تصویر جمع زده می‌شوند. این روزنۀ مجازی می‌تواند هر اندازه یا شکلی داشته باشند و از روی داده‌های 4D جمع‌آوری شده در یک پویش واحد ایجاد می‌شود. این قابلیتِ اعمال روزنه‌های متفاوت روی یک مجموعه‌داده‌های واحد، به‌دلیل ثبت کامل الگوی پراش در داده‌های 4D STEM ممکن می‌شود. این ویژگی یک ضعف اساسی در عملکرد مرسوم STEM را برطرف می‌کند، زیرا در STEM معمولی آشکارسازهای میدان روشن و میدان تاریک در زاویه‌های ثابت قرار دارند و در طول تصویربرداری قابل تغییر نیستند. با استفاده از یک مجموعه‌دادۀ چهاربعدی، می‌توان تصاویر میدان‌روشن و میدان‌تاریک را به‌ترتیب از طریق انتگرال‌گیری شدت پراش از پرتوهای پراش‌یافته و عبوری به‌دست آورد. ایجاد تصویر از این الگوها می‌تواند اطلاعاتی با تفکیک‌پذیری نانومتری یا اتمی فراهم کند (بسته به اندازۀ گام پویش و دامنۀ زوایای پراش‌یافته‌ای که در تشکیل تصویر به‌کار می‌روند) و معمولاً برای شناسایی ساختار نانومواد مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه‌براین، این الگوهای پراش را می‌توان شاخص‌گذاری و با سایر روش‌های 4D STEM مانند تعیین جهت‌گیری و نقشه‌برداری فازی، یا نقشه‌برداری کرنش تحلیل کرد. یکی از مزیت‌های کلیدی تصویربردای پراش مجازی در 4D STEM انعطاف‌پذیری بسیار بالا است. هر شکلی از روزنه را می‌توان به‌کار برد: دایره (مشابه تصویربرداری میدان‌روشن/تاریک در TEM سنتی)، مستطیل، حلقه (مشابه تصویربرداری ADF/ABF در STEM)، یا ترکیبی پیچیده از چند روزنه. استفاده از شبکه‌های منظم روزنه‌ها برای تصویربرداری از بلورها بسیار قدرتمند است، زیرا نسبت سیگنال به نویز بالا ایجاد می‌کند و آثار خمیدگی نمونه را کاهش می‌دهد؛ این روش توسط McCarten و همکارانش به‌کار رفت. این کار همچنین امکان تصویربرداری از آرایه‌ای از لکه‌های سوپرشبکه را که با نظم بلوری خاص ناشی از تفکیک شیمیایی ارتباط دارند، فراهم کرد. تصویربرداری پراش مجازی برای نقشه‌برداری از مرزهای بین‌فازی، انتخاب شدت از نواحی خاصی از صفحۀ پراش برای تشکیل تصاویر میدان‌تاریک بهبودیافته، تعیین موقعیت رسوبات نانومقایس، ایجاد نقشه‌های فاز از مواد حساس به پرتو مانند کاتدهای باتری، و اندازه‌گیری درجۀ بلورینگی در چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) به‌کار رفته است. کارهای اخیر دامنۀ توانایی‌های تصویربرداری پراش مجازی را گسترش داده‌اند و با استفاده از رویکردی دیجیتال‌تر، برگرفته از روش‌های تعیین جهت‌گیری، نقشه‌برداری فازی یا نقشه‌برداری کرنش، نتایج پیشرفته‌تری به‌دست آمده است. در این روش‌ها، موقعیت لکه‌های پراش در هر الگوی موجود در مجموعه‌دادۀ چهاربعدی مشخص و به‌صورت یک فهرست ذخیره می‌شود، و پردازش بر روی فهرست انجام می‌گیرد نه بر روی کل تصویر. برای تصویربرداری میدان‌تاریک، موقعیت مراکز لکه‌های پراش در فهرست با فهرستی از موقعیت مراکز لکه‌های مورد انتظار مقایسه می‌شود و تنها در صورتی شدت افزوده می‌شود که مراکز لکه‌ها با نقاط انتخاب‌شده منطبق باشند. این روش گزینش‌پذیری بسیار بیشتری نسبت به انتگرال‌گیری کل شدت در یک روزنه ارائه می‌دهد (به‌ویژه به دلیل حذف شدت پراکنده‌ای که در ناحیۀ لکه‌ها قرار نمی‌گیرد) و در نتیجه، تضاد (کنتراست) بسیار بالاتری در تصاویر نهایی ایجاد می‌کند. نقشه‌برداری فاز و جهت‌گیری نقشه‌برداری فاز و جهت‌گیری معمولاً با استفاده از پراش الکترون‌های بازپراکنده شده (EBSD) در میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) انجام می‌شود که امکان تهیۀ نقشه‌های دوبعدی از جهت‌گیری دانه‌ها در مواد چندبلوری را فراهم می‌کند. این روش همچنین در میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و با استفاده از خطوط کیکوچی قابل انجام است؛ روشی که به‌ویژه برای نمونه‌های ضخیم‌تر مناسب‌تر است، زیرا تشکیل خطوط کیکوچی به وجود پراکندگی پخشیده وابسته است. از 4D STEM نیز می‌توان برای نقشه‌برداری جهت‌گیری ‌ها بهره گرفت؛ روشی که با عنوان «تصویربرداری لکه‌های براگ» شناخته می‌شود. استفاده از روش‌های متداول TEM معمولاً وضوح بالاتری نسبت به رویکرد 4D STEM ایجاد می‌کند، اما این روش‌ها ممکن است در نواحی با کرنش بالا ناکارآمد باشند، زیرا الگوهای پراش در این نواحی به‌شدت دچار اعوجاج می‌شوند. در تصویربرداری لکه‌های براگ، ابتدا تحلیل همبستگی برای گروه‌بندی الگوها پراش (DP) انجام می‌شود؛ به‌گونه‌ای که میزان همبستگی بین صفر (عدم همبستگی) تا یک (تطابق کامل) تعریف می‌شود. | ## بخش 3: میکروسکوپ الکترونی عبوری پویشی چهاربعدی | از هر گروه می‌توان یک تصویر همبستگی استخراج کرد و با جمع و میانگین‌گیری این تصاویر، یک الگوی پراش نماینده برای هر گروه به‌دست آورد. به جهت‌گیری‌های مختلف می‌توان رنگ‌های متفاوت اختصاص داد که این کار به تجسم جهت‌گیری دانه‌های منفرد کمک می‌کند. با اعمال شیب‌دهی مناسب به نمونه و با استفاده از پراش الکترونی پیشایشی، حتی می‌توان بازسازی‌های توموگرافی سه‌بعدی از جهت‌گیری و توزیع دانه‌ها تهیه کرد. این نوع وضوح اتمی، هدف تحلیل کمی داده‌های حجیم جمع‌آوری شده توسط تکنیک 4D-STEM است. اساس این تکنیک بر مقایسۀ الگوی پراش یک ناحیۀ بدون‌کرنش با یک ناحیۀ دچار کرنش است تا تغییرات در پارامتر شبکه آشکار شود. در STEM، موقعیت دیسک‌های پراش‌شده از یک ناحیه از نمونه می‌تواند اطلاعات مکانی دربارۀ کرنش ارائه دهد. استفاده از این روش با مجموعه‌داده‌های 4D STEM شامل محاسبات نسبتاً پیچیده‌ای است. با استفاده از SEND، تصاویر میدان‌روشن و میدان‌تاریک را می‌توان از طریق انتگرال‌گیری از شدت پرتوهای مستقیم و پراش‌یافته در الگوهای پراش به‌دست آورد. در طول انجام آزمایش 4D STEM، آشکارساز ADF می‌تواند برای مشاهدۀ یک ناحیۀ خاص از نمونه مورد استفاده قرار گیرد؛ این کار با جمع‌آوری الکتورن‌های پراکنده‌شده در زوایای بزرگ انجام می‌شود تا بتوان موقعیت پروب را با الگوی پراش در طول اندازه‌گیری مرتبط کرد. میان تفکیک‌پذیری فضایی و اطلاعات کرنش یک رابطۀ مبادله‌ای وجود دارد: پروب‌های بزرگ‌تر باعث می‌شوند اندازه‌گیری‌های کرنش روی حجم بزرگ‌تری میانگین‌گیری شود، در حالی که کاهش اندازۀ پروب، تفکیک‌پذیری فضایی را افزایش می‌دهد. روش‌هایی برای مقابله با این موضوع وجود دارد؛ برای نمونه می‌توان فاصلۀ نقاط پویش را بیش از حد تفکیک‌پذیری انتخاب کرد تا میدان دید افزایش یابد. این روش نقشه‌برداری کرنش در بسیاری از مواد بلوری به‌کار گرفته شده است و حتی به مواد نیمه‌بلوری و آمورف (مانند شیشه‌های فلزی) نیز گسترش یافته است، زیرا این مواد نیز در نواحی دارای کرنش بالا از فاصلۀ میانگین اتمی انحراف نشان می‌دهند. در این روش، میدان الکتریکی یا مغناطیسی نمونه با اندازه‌گیری میزان انحراف پرتو الکترونی ناشی از میدان در هر نقطۀ اسکن برآورد می‌شود. این رویکرد با اندازه‌گیری‌های متداول میدان تاریک حلقوی (ADF) تفاوت دارد، زیرا در DPC آشکارساز در ناحیۀ میدان روشن قرار می‌گیرد تا امکان اندازه‌گیری مرکز جرم پرتو الکترونی عمدتاً پراکنده‌نشده فراهم شود. افزون بر این، برای دستیابی به تفکیک شعاعی لازم، از آشکارسازهای قطعه‌بندی‌شده یا پیکسلی استفاده می‌شود. آشکارسازهای ADF معمولاً یکپارچه (تک‌بخشی) هستند و در ناحیۀ میدان تاریک قرار می‌گیرند و الکترون‌هایی را جمع‌آوری می‌کنند که توسط نمونه پراکنده شده‌اند. با استفاده از DPC می‌توان میدان‌های الکتریکی موضعی پیرامون اتم‌های منفرد یا ستون‌های اتمی را تصویربرداری کرد. نشان داده شده است که استفاده از آشکارساز پیکسلی در 4D STEM و به‌کارگیری رایانه برای ردیابی جابه‌جایی «مرکز جرم» الگوهای پراش CBED، نتایجی قابل مقایسه با آشکارسازهای قطعه‌بندی‌شده فراهم می‌کند. 4S STEM این امکان را می‌دهد که تغییرات فاز در تمام جهات به‌طور هم‌زمان اندازه‌گیری شوذ، بدون آنکه نیازی به چرخاندن آشکارساز قطعه‌بندی‌شده برای هم‌راستاسازی با جهت‌گیری نمونه باشد. همچنین امکان اندازه‌گیری قطبش موضعی به‌صورت هم‌زمان با میدان الکتریکی موضعی با استفاده از 4D STEM نشان داده شده است. تصویربرداری DPC با 4D STEM تا دو مرتبۀ بزرگی کندتر از DPC با آشکارسازهای قطعه‌بندی‌شده است و به تحلیل پیشرفتۀ مجموعه‌داده‌های چهاربعدی بزرگ نیاز دارد. پتیوگرافی اندازه‌گیری‌های هم‌پوشان CBED موجود در یک مجموعه‌دادۀ 4D STEM امکان بازسازی پراب الکترونی مختلط و پتانسیل مختلط نمونه را با استفاده از روش پتیوگرافی فراهم می‌کند. نسبت سیگنال به نویز بالای این روش در چارچوب 4D STEM آن را برای تصویربرداری از نمونه‌های حساس به تابش، مانند نمونه‌های زیستی، بسیار جذاب می‌سازد. همچنین نشان داده شده است که استفاده از یک آشکارساز پیکسلی دارای سوراخ مرکزی-به‌منظور عبور پرتو الکترونی پراکنده‌نشده به سمت طیف‌سنج-امکان انجام تحلیل پتیوگرافی هم‌زمان با تحلیل شیمیایی را در 4D STEM فراهم می‌کند. در این روش، با قرار دادن یک صفحۀ فازی شامل نواحی با اختلاف فاز 0 و π/2 در دهانۀ شکل‌دهندۀ پراب، مجموعه‌ای از حلقه‌های هم‌مرکز در الگوی پراش CBED حاصل می‌شود. اختلاف شمارش الکترون‌ها بین نواحی با فاز 0 و π/2 امکان اندازه‌گیری مستقیم فاز موضعی نمونه را فراهم می‌کند. شمارش الکترون‌ها در نواحی مختلف می‌تواند با استفاده از هندسه‌های پیچیدۀ آشکارسازهای استاندارد یا با به‌کارگیری آشکارسازهای پیکسلی در 4D STEM انجام شود. نشان داده شده است که آشکارسازهای پیکسلی قادرند این روش را با تفکیک‌پذیری اتمی پیاده‌سازی کنند. | ## جمع‌بندی | با این حال، نشان داده شده است که استفادۀ هم‌زمان از MIDI-STEM و پتیوگرافی در کنار یکدیگر، نسبت به هر یک از این روش‌ها به‌تنهایی، کارایی بالاتری در استخراج اطلاعات کنتراست فراهم می‌کند.