過(guò)去十年間，直接電子探測(cè)器技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和掃描透射電鏡（STEM）中的多種應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，包括冷凍電鏡單粒子分析、原位TEM、micro-ED、電子背散射衍射、4D-STEM和電子能量損失譜等。相較于傳統(tǒng)閃爍體耦合的間接探測(cè)器，直接電子探測(cè)器憑借更高的靈敏度與信噪比（SNR）優(yōu)勢(shì)，已在材料和生物電子顯微領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為一項(xiàng)重要的技術(shù)突破。

目前主流的直接電子探測(cè)器包括以下三類技術(shù)路線：混合像素探測(cè)器（Hybrid Pixel Array Detector, HPAD）,單片有源像素探測(cè)器（Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS）,以及pnCCD。^[1] 三者均是無(wú)需閃爍體，通過(guò)半導(dǎo)體材料直接接收高能電子的二維探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)單電子事件靈敏，且支持高速數(shù)字信號(hào)讀出。

如圖1.(a)所示，HPAD采用傳感器與讀出芯片分離的設(shè)計(jì)，傳感器通常相對(duì)較厚，通常為100μm-500μm的硅。這是為了完全阻止入射電子，從而捕獲由每個(gè)電子沉積的所有能量。圖1.(c)-(e)展示了不同入射電子能量下硅傳感器中的電子軌跡模擬圖。這種分立式結(jié)構(gòu)使其具有很高的抗輻射能力和動(dòng)態(tài)范圍，但較大的像素尺寸（通常為55-150μm）限制了空間分辨率，從而限制了在給定視野下 HPAD 能夠達(dá)到的分辨率。與HPAD相比，MAPS的讀出電路和傳感器是集成在一起的，傳感器厚度很薄（通常為5μm-15μm），如圖1.(b)。入射電子只能在一個(gè)像素內(nèi)沉積小部分能量，電子的橫向移動(dòng)距離相對(duì)較小，如圖1.(f)-(h)，這使得MAPS能夠使用更小的像素尺寸，例如6.5μm。因此MAPS可以在給定的視野中獲得高分辨率，但代價(jià)是每個(gè)像素可以容納的電子劑量更低。^[2]

圖1.HPAD和MAPS的探測(cè)器構(gòu)造以及模擬不同能量電子的運(yùn)動(dòng)軌跡. ^[2]

英國(guó)薩里大學(xué)的研究人員研究了Timepix探測(cè)器在EBSD（Electron Back-Scattered Diffraction）系統(tǒng)的傾斜自由幾何下的性能優(yōu)勢(shì)^[3]。

探測(cè)器為2×2拼接的Timepix探測(cè)器，中間帶孔，總的像素大小為512×512，像素尺寸55μm，工作模式為計(jì)數(shù)模式。直接電子探測(cè)無(wú)需閃爍體轉(zhuǎn)換，避免了信號(hào)損失和分辨率下降，顯著提升了EBSD圖案的對(duì)比度和信噪比。傳統(tǒng)EBSD需樣品傾斜70°，導(dǎo)致分辨率各向異性（縱向分辨率較差）。Timepix探測(cè)器首次實(shí)現(xiàn)樣品水平放置的EBSD，解決了傳統(tǒng)幾何的局限性。如圖2.(a)-(b)所示，展示了Timepix探測(cè)器的安裝示意圖，探測(cè)器集成在賽默飛世爾的聚焦離子束掃描電子顯微鏡 (FIB-SEM) 儀器(Helios 5 DualBeam)中，圖2.(c)是20keV電子下以2秒曝光時(shí)間在無(wú)傾斜幾何結(jié)構(gòu)中收集的Ni樣品的 EBSP（Electron Back-Scattered Pattern），花樣顯示出清晰的菊池帶，對(duì)比度較高，表明信號(hào)強(qiáng)度足夠且信噪比良好，適合高精度取向分析。

圖2.(a)-(b)Timepix探測(cè)器實(shí)物圖及安裝示意圖；

(c)在20kV下以2s曝光測(cè)量Ni樣品的EBSD圖樣. ^[3]

英屬哥倫比亞大學(xué)的研究人員將捷克ADVACAM公司生產(chǎn)的MiniPIX Timepix3多功能探測(cè)器集成到了蔡司Sigma FE-SEM中，用于透射菊池衍射（TDK）研究。

如下圖3所示^[4]。MiniPIX的小型化設(shè)計(jì)使其可適配標(biāo)準(zhǔn)SEM腔體，僅需USB 2.0接口和真空饋通，探測(cè)器本身可以兼容10^-3Pa以下的真空度。

圖3.用戶將MiniPIX Timepix3集成在蔡司Sigma FE-SEM，

TKD樣品臺(tái)與探測(cè)器支架的CAD渲染圖和實(shí)物圖. ^[4]

研究人員利用多曝光融合算法，克服了單幀飽和問(wèn)題，同時(shí)捕捉強(qiáng)直射束和廣角的弱散射信號(hào)，增強(qiáng)了SEM中TDK的動(dòng)態(tài)范圍和角度分辨率。如圖4所示，展示了在30 keV電子能量下，鋁樣品的TKD圖案展現(xiàn)出高對(duì)比度菊池帶和清晰的衍射斑點(diǎn)。

圖4.鋁樣品在30 keV電子能量以及不同曝光時(shí)間下的TKD圖，

曝光50幀平均. ^[4]

比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)的研究人員將捷克ADVACAM公司生產(chǎn)的AdvaPIX Timepix3 Flex探測(cè)器集成到FEI Themis Z TEM中，用于4D-STEM成像。

如下圖5。研究人員利用Timepix3獨(dú)有的事件驅(qū)動(dòng)模式記錄電子衍射信號(hào)，克服了傳統(tǒng)幀式探測(cè)器的速度限制，實(shí)現(xiàn)了低至100ns的停留時(shí)間，同時(shí)顯著降低了電子劑量^[5]。這里的AdvaPIX Timepix3 Flex探測(cè)器相較于MiniPIX Timepix3探測(cè)器具有更快的讀出速度，且探測(cè)器頭和探測(cè)器電子學(xué)用軟排線連接，便于用戶集成到真空腔室。

圖5. AdvaPIX Timepix3 Flex探測(cè)器集成到FEI Themis Z TEM中用于4D-STEM，事件驅(qū)動(dòng)模式提供每個(gè)電子的位置（X，Y）、時(shí)間（TOA）信息，時(shí)間精度達(dá)1.56ns. ^[5]

下圖6驗(yàn)證了Timepix3探測(cè)器在100ns超短停留時(shí)間下的4D-STEM采集能力。通過(guò)對(duì)比20μs慢速掃描（清晰成像）和100ns快速掃描（200次疊加），結(jié)果顯示盡管掃描線圈響應(yīng)導(dǎo)致圖像畸變，但探測(cè)器仍能有效記錄衍射信號(hào)。100ns數(shù)據(jù)信噪比雖低，但證實(shí)了探測(cè)器的時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)，為超快4D-STEM成像奠定了基礎(chǔ)。

圖6. 4D-STEM掃描的PACBED圖，在此圖中對(duì)比了明場(chǎng)像（BF）和暗場(chǎng)像（DF）. ^[5]

最近，TESCAN的研究人員在TESCAN公司的AMBER X FIB-SEM雙束系統(tǒng)中集成了AdvaScope最新的ePIX Timepix3電子探測(cè)器用于4D-STEM^[6-7]。

相比傳統(tǒng)的TEM，F(xiàn)IB-SEM中的4D-STEM成本更低，且能實(shí)現(xiàn)原位制備與分析一體化，避免空氣敏感樣品的退化。利用FIB制備薄片，整個(gè)過(guò)程在真空環(huán)境中完成，避免樣品暴露于空氣，減少氧化和降解風(fēng)險(xiǎn)。電子束在樣品表面進(jìn)行二維掃描，ePIX Timepix3探測(cè)器在每個(gè)掃描點(diǎn)記錄一個(gè)二維衍射圖案，形成四維數(shù)據(jù)集。通過(guò)虛擬探測(cè)器對(duì)衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，生成明場(chǎng)（BF）、環(huán)形暗場(chǎng)（ADF）和高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）等STEM圖像，顯著提升成像的對(duì)比度和分辨率。

如下圖7展示了4D-STEM在FIB-SEM中用于MAPbI₃鈣鈦礦太陽(yáng)能電池薄片的分析。該圖通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)SEM的二次電子圖像和4D-STEM重構(gòu)圖像，ePIX Timepix3探測(cè)器可作為虛擬探測(cè)器重構(gòu)ADF圖像，由于ADF成像比對(duì)原子序數(shù)（Z）敏感，能清晰區(qū)分不同材料層（如SnO?、MAPbI?、Spiro-OMeTAD等）。此外，從4D-STEM數(shù)據(jù)中提取4個(gè)位置的衍射圖案發(fā)現(xiàn)衍射斑點(diǎn)清晰，表明樣品未發(fā)生非晶化或降解（得益于真空環(huán)境），揭示了鈣鈦礦光活性層的晶體結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性。

圖7. MAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池薄片的分析. ^[7]

ADVACAM S.R.O.源至捷克技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用物理研究所，致力在多學(xué)科交叉業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供硅傳感器制造、微電子封裝、輻射成像相機(jī)和X射線成像解決方案。ADVACAM最核心的技術(shù)特點(diǎn)是其X射線探制器（應(yīng)用CERN Timepix、Medipix芯片），沒(méi)有拼接縫隙（No Gap），因此在無(wú)損檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)采礦、空間探測(cè)、藝術(shù)品鑒定及中子成像方面有極其突出的表現(xiàn)。ADVACAM與NASA（美國(guó)航空航天局）及ESA（歐洲航空航天局）保持長(zhǎng)期良好的項(xiàng)目合作關(guān)系。2021年，spin off子公司Advascope專為電子顯微鏡EM應(yīng)用提供定制化粒子探測(cè)系統(tǒng)。

北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為捷克ADVACAM公司中國(guó)區(qū)的總代理，也在積極推廣Timex / Medipix芯片技術(shù)，并探索和推廣光子計(jì)數(shù)X射線探測(cè)技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用，目前已有眾多客戶將MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功應(yīng)用于空間輻射探測(cè)、X射線小角散射、X射線光譜學(xué)、X射線應(yīng)力分析和X射線能譜成像等領(lǐng)域。同時(shí)我們也有數(shù)臺(tái)MiniPIX樣機(jī)，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的樣機(jī)，我們也非常期待對(duì)我們探測(cè)器感興趣或基于探測(cè)器應(yīng)用有新的idea的老師聯(lián)系我們，我們可以一起嘗試做更多的事情。