Optimization-Based Thickness Estimation and Depth-Resolved FIB-Induced Damage Characterization via Multislice Electron Ptychography
本文表明，在多层电子叠层成像（multislice electron ptychography）中对样品厚度及其他参数进行联合贝叶斯优化，能够实现从单个 4D-STEM 数据集中对局部薄片厚度的精确、自洽估计，以及对聚焦离子束（FIB）诱导的非晶损伤进行深度解析表征。
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为了观察世界的微小细节，科学家们经常使用电子束而非光束。由于电子如此之小，它们可以揭示材料内部单个原子的排列情况。然而，当这些电子穿过固体物体时，它们并不会简单地沿直线传播；它们会与原子发生碰撞并以复杂的方式相互干涉。这种被称为动力学散射（dynamical scattering）的现象意味着，最终的图像在很大程度上取决于物体的厚度。如果科学家不知道样品的精确厚度，得到的图像可能会产生误导，使得很难区分真实的结构特征与由材料深度引起的伪影。当研究通过聚焦离子束（一种利用离子流切割出用于检查的微小、薄片物质的技术）制备的材料时，这种不确定性成为了一个主要的障碍。虽然这种方法对于创建样品至关重要，但切割过程本身会损坏表面，在原始晶体之上形成一层无序的物质层。直到目前为止，测量这些薄片的厚度和损伤深度仍需要准备另一个单独的特殊样品，通过将其切开来观察侧面，这一过程既耗时，且往往无法对正在研究的那个确切的材料进行。
一组研究人员开发出了一种利用单一数据集解决此问题的方法，使其无需准备额外的标本即可同时确定样品的局部厚度和损伤深度。他们使用了一片形状呈楔形的硅薄片，这意味着它的一端较厚，另一端较薄。这片薄片是用四种不同的最终切割电压制备的，从而产生了四个预期表面损伤会发生变化的截然不同的区域。研究人员使用了一种称为多层电子叠层成像术（multislice electron ptychography）的强大成像技术，该技术将电子束视为以层状方式穿过材料的波。为了使这项技术奏效，计算机模型首先需要知道样品的总厚度，但这恰恰是科学家们试图寻找的信息。为了打破这个循环问题，他们采用了名为贝叶斯优化（Bayesian optimization）的数学策略。计算机并没有猜测厚度，而是测试了数千种关于厚度、焦距和模型中层数的不同组合。它在寻找特定的组合，使模拟的电子图样与显微镜捕捉到的真实图样最为匹配。
结果表明，这种方法可以可靠地估算硅片的物理厚度。当研究人员将计算机的估算值与使用另一种技术进行的独立测量进行比较时，他们发现数值非常接近，差异仅为一个微小的、一致的幅度。更重要的是，该方法成功追踪了厚度如何在楔形样品中变化，证实了计算机测量的是真实的物理属性，而不仅仅是在寻找一种数学技巧。一旦确定了正确的厚度，研究人员就可以利用相同的数据深入观察薄片内部。由于该技术是逐层重建样品的，因此他们可以看到从无序的受损表面到中间完美的有序晶体的过渡。他们测量了这四个区域中损伤层的厚度。数据表明，在切割电压最低时，损伤层最薄，在 2 千伏时为 3.2 纳米；而在电压最高时，损伤层最厚，在 30 千伏时为 26.4 纳米。这些测量结果与之前的横截面研究结果相吻切，但其优势在于，这些数据是直接从用于原子分析的样品中得出的。
这种方法为定量显微技术提供了显著的进步，在定量显微技术中，精确的测量至关重要。通过允许科学家从用于成像原子的同一数据集中确定局部厚度和表面损伤程度，该方法消除了需要额外准备步骤（这些步骤可能会改变样品）的需求。它提供了一种自洽的方式，来理解材料是如何构成的以及它是如何受到制备过程影响的。研究人员发现，随着切割电压的增加，损伤层稳步增长，这证实了较低的电压确实更有利于保护晶体结构靠近表面的部分。虽然他们的估算值与其他测量方法之间仍存在微小的系统性差异（这可能是由于电子散射的复杂物理机制造成的），但能够在单个样品内绘制这些变化图谱的能力，为更准确地解释原子级图像打开了大门。这项工作证明，借助合适的计算工具，显微镜不仅能告诉我们原子看起来是什么样的，还能同时告诉我们材料有多厚以及损伤有多深。
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