基于直接电子探测实现的低温原子分辨率元素Mapping

通过扫描透射电子显微镜结合电子能量损失谱（STEM-EELS）进行谱学Mapping是确定广泛材料与界面结构和化学组成的强有力技术。将该技术拓展至低温条件为材料物理、能量存储与转换以及生物学等诸多领域的新实验打开了大门。然而，此类实验常因样品敏感性或在较不稳定低温条件下需快速数据采集而面临信号限制。相较于电荷耦合器件（CCD）等传统间接探测系统，直接电子探测器（DED）具有更高的探测量子效率、更窄的点扩散函数以及更优的信噪比。在此，我们比较了Gatan K2 Summit DED与UltraScan 1000 CCD在信号受限的原子分辨率STEM-EELS实验中的表现。得益于其改进的点扩散函数，DED在低5倍色散下能量分辨率仍与CCD相当，从而在不牺牲谱分辨率的同时可同时覆盖更宽的总能量范围。更重要的是，直接探测的优势使得多种低信号实验成为可能，包括La-M$_{2,3}$边（1123 eV）与Bi-M$_{4,5}$边（2580 eV）等次要及高能边的原子分辨率Mapping。在以每秒400谱的速率快速采集中，DED记录的元素Mapping相较CCD所获取的在原子晶格条纹对比度上最高提升40%。利用这些性能改进及K2 DED的快速读出，我们借助直接探测STEM-EELS实现了低温下的原子分辨率元素Mapping。