Timepix系列混合像素探测器推动4D-STEM等电镜技术的发展

过去十年间，直接电子探测器技术的迅速发展，推动了扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和扫描透射电镜（STEM）中的多种应用技术发展，包括冷冻电镜单粒子分析、原位TEM、micro-ED、电子背散射衍射、4D-STEM和电子能量损失谱等。相较于传统闪烁体耦合的间接探测器，直接电子探测器凭借更高的灵敏度与信噪比（SNR）优势，已在材料和生物电子显微领域得到广泛应用，成为一项重要的技术突破。

目前主流的直接电子探测器包括以下三类技术路线：混合像素探测器（Hybrid Pixel Array Detector, HPAD）,单片有源像素探测器（Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS）,以及pnCCD。^[1] 三者均是无需闪烁体，通过半导体材料直接接收高能电子的二维探测器，可实现单电子事件灵敏，且支持高速数字信号读出。

如图1.(a)所示，HPAD采用传感器与读出芯片分离的设计，传感器通常相对较厚，通常为100μm-500μm的硅。这是为了完全阻止入射电子，从而捕获由每个电子沉积的所有能量。图1.(c)-(e)展示了不同入射电子能量下硅传感器中的电子轨迹模拟图。这种分立式结构使其具有很高的抗辐射能力和动态范围，但较大的像素尺寸（通常为55-150μm）限制了空间分辨率，从而限制了在给定视野下 HPAD 能够达到的分辨率。与HPAD相比，MAPS的读出电路和传感器是集成在一起的，传感器厚度很薄（通常为5μm-15μm），如图1.(b)。入射电子只能在一个像素内沉积小部分能量，电子的横向移动距离相对较小，如图1.(f)-(h)，这使得MAPS能够使用更小的像素尺寸，例如6.5μm。因此MAPS可以在给定的视野中获得高分辨率，但代价是每个像素可以容纳的电子剂量更低。^[2]

图1.HPAD和MAPS的探测器构造以及模拟不同能量电子的运动轨迹. ^[2]

英国萨里大学的研究人员研究了Timepix探测器在EBSD（Electron Back-Scattered Diffraction）系统的倾斜自由几何下的性能优势^[3]。

探测器为2×2拼接的Timepix探测器，中间带孔，总的像素大小为512×512，像素尺寸55μm，工作模式为计数模式。直接电子探测无需闪烁体转换，避免了信号损失和分辨率下降，显著提升了EBSD图案的对比度和信噪比。传统EBSD需样品倾斜70°，导致分辨率各向异性（纵向分辨率较差）。Timepix探测器首次实现样品水平放置的EBSD，解决了传统几何的局限性。如图2.(a)-(b)所示，展示了Timepix探测器的安装示意图，探测器集成在赛默飞世尔的聚焦离子束扫描电子显微镜 (FIB-SEM) 仪器(Helios 5 DualBeam)中，图2.(c)是20keV电子下以2秒曝光时间在无倾斜几何结构中收集的Ni样品的 EBSP（Electron Back-Scattered Pattern），花样显示出清晰的菊池带，对比度较高，表明信号强度足够且信噪比良好，适合高精度取向分析。

图2.(a)-(b)Timepix探测器实物图及安装示意图；

(c)在20kV下以2s曝光测量Ni样品的EBSD图样. ^[3]

英属哥伦比亚大学的研究人员将捷克ADVACAM公司生产的MiniPIX Timepix3多功能探测器集成到了蔡司Sigma FE-SEM中，用于透射菊池衍射（TDK）研究。

如下图3所示^[4]。MiniPIX的小型化设计使其可适配标准SEM腔体，仅需USB 2.0接口和真空馈通，探测器本身可以兼容10^-3Pa以下的真空度。

图3.用户将MiniPIX Timepix3集成在蔡司Sigma FE-SEM，

TKD样品台与探测器支架的CAD渲染图和实物图. ^[4]

研究人员利用多曝光融合算法，克服了单帧饱和问题，同时捕捉强直射束和广角的弱散射信号，增强了SEM中TDK的动态范围和角度分辨率。如图4所示，展示了在30 keV电子能量下，铝样品的TKD图案展现出高对比度菊池带和清晰的衍射斑点。

图4.铝样品在30 keV电子能量以及不同曝光时间下的TKD图，

曝光50帧平均. ^[4]

比利时安特卫普大学的研究人员将捷克ADVACAM公司生产的AdvaPIX Timepix3 Flex探测器集成到FEI Themis Z TEM中，用于4D-STEM成像。

如下图5。研究人员利用Timepix3独有的事件驱动模式记录电子衍射信号，克服了传统帧式探测器的速度限制，实现了低至100ns的停留时间，同时显著降低了电子剂量^[5]。这里的AdvaPIX Timepix3 Flex探测器相较于MiniPIX Timepix3探测器具有更快的读出速度，且探测器头和探测器电子学用软排线连接，便于用户集成到真空腔室。

图5. AdvaPIX Timepix3 Flex探测器集成到FEI Themis Z TEM中用于4D-STEM，事件驱动模式提供每个电子的位置（X，Y）、时间（TOA）信息，时间精度达1.56ns. ^[5]

下图6验证了Timepix3探测器在100ns超短停留时间下的4D-STEM采集能力。通过对比20μs慢速扫描（清晰成像）和100ns快速扫描（200次叠加），结果显示尽管扫描线圈响应导致图像畸变，但探测器仍能有效记录衍射信号。100ns数据信噪比虽低，但证实了探测器的时间分辨率优势，为超快4D-STEM成像奠定了基础。

图6. 4D-STEM扫描的PACBED图，在此图中对比了明场像（BF）和暗场像（DF）. ^[5]

最近，TESCAN的研究人员在TESCAN公司的AMBER X FIB-SEM双束系统中集成了AdvaScope最新的ePIX Timepix3电子探测器用于4D-STEM^[6-7]。

相比传统的TEM，FIB-SEM中的4D-STEM成本更低，且能实现原位制备与分析一体化，避免空气敏感样品的退化。利用FIB制备薄片，整个过程在真空环境中完成，避免样品暴露于空气，减少氧化和降解风险。电子束在样品表面进行二维扫描，ePIX Timepix3探测器在每个扫描点记录一个二维衍射图案，形成四维数据集。通过虚拟探测器对衍射数据进行后处理，生成明场（BF）、环形暗场（ADF）和高角度环形暗场（HAADF）等STEM图像，显著提升成像的对比度和分辨率。

如下图7展示了4D-STEM在FIB-SEM中用于MAPbI₃钙钛矿太阳能电池薄片的分析。该图通过对比传统SEM的二次电子图像和4D-STEM重构图像，ePIX Timepix3探测器可作为虚拟探测器重构ADF图像，由于ADF成像比对原子序数（Z）敏感，能清晰区分不同材料层（如SnO₂、MAPbI₃、Spiro-OMeTAD等）。此外，从4D-STEM数据中提取4个位置的衍射图案发现衍射斑点清晰，表明样品未发生非晶化或降解（得益于真空环境），揭示了钙钛矿光活性层的晶体结构及其稳定性。

图7. MAPbI3钙钛矿太阳能电池薄片的分析. ^[7]

ADVACAM S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所，致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像相机和X射线成像解决方案。ADVACAM最核心的技术特点是其X射线探制器（应用CERN Timepix、Medipix芯片），没有拼接缝隙（No Gap），因此在无损检测、生物医学、地质采矿、空间探测、艺术品鉴定及中子成像方面有极其突出的表现。ADVACAM与NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持长期良好的项目合作关系。2021年，spin off子公司Advascope专为电子显微镜EM应用提供定制化粒子探测系统。

北京众星联恒科技有限公司作为捷克ADVACAM公司中国区的总代理，也在积极推广Timex / Medipix芯片技术，并探索和推广光子计数X射线探测技术在中国市场的应用，目前已有众多客户将MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功应用于空间辐射探测、X射线小角散射、X射线光谱学、X射线应力分析和X射线能谱成像等领域。同时我们也有数台MiniPIX样机，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的样机，我们也非常期待对我们探测器感兴趣或基于探测器应用有新的idea的老师联系我们，我们可以一起尝试做更多的事情。